泡桐木芯材夹层梁抗弯性能试验研究.pdf

42 江苏建筑 2014 年第 2 期 总第 161 期 泡桐木芯材夹层梁抗弯性能试验研究 周翔 韩丽婷 董 星亮 南京 r l 大学 土木工程学院 江苏南京 210009 摘 要1 试验研究了复合材料泡桐木芯材夹层梁抗弯性能 考察了试验构件的破坏模式 荷栽一 位移曲线 抗弯承栽力及 受弯段 的应 变发展规律 开展试验构件抗 弯承栽力的有限元模拟 试验结果与有 限元分析 结果 吻合较好 验证有 限元模拟分 析可行 基 于试验及 有限元分析 可知 整个加栽过程 中复合材料 泡桐木芯材 夹层 梁表现为线弹性受力 最后破坏发生脆性破 坏 受弯承栽力计算可以近似采用平截 面假定 文章可供轻木芯材复合材料 夹层结构的抗 弯设计参考 关键 词 复合材料夹层结构 泡桐木芯材 抗弯性能 ate 模式 中图分类号 T U 312 1 文献标识码1A 文章编号 1oo5 6270 2014 02 0042一 o3 T est Stu dy on B en di ng P erform an ce of P aul ow ni a C ore San dw i ch B eam s Z H O U X i an g H A N L i ti ng D O N G X i ng l i ang Col l ege of C i vi l Engi neeri ng N anji ng U ni versi ty of Technol ogy N anji ng Ji angsu 210009 Chi na A b stract B endi ng perform an ce of com p osi te p au l ow ni a core san dw i ch beam s w as stud i ed by tests T h e fai l ure m odes l oad deformati on curves bendi ng cap aci ti es an d strai n devel opi ng behavi or w ere i nvesti gated The fi ni te el em ent anal ysi s FE A of test speci m ens w ere carri ed out and the FEA resul ts had a good agreem ent w i th these of test It w as veri fi ed that the FE A w as rel i abl e B ased on the test and F E A i t cou l d be concl uded that p au l ow ni a core sandw i ch beam s show n th e l i near el asti c behavi or d uri n g the w hol e p rocess l oad i ng and l astl y brittl e fai l ure happ ened T he pl an e cross secti on assu m pti on cou l d be used for the cal cul ati on of i ts bend i ng capaci ty T hi s paper coul d be referred fo r the cal cul ati on of bendi ng capaci ty fo r the pau l ow ni a core sandw i ch board s b eam s K ey w o rd s com posi te sandw i ch stru cture paul ow ni a core bend i ng capaci ty fai l ure m ode 复合材料夹层结构 由强度高厚度薄 的面板 和轻 质芯材 组成 具有 质量 轻 比强度 比刚度高的优点 尤其是 具有 良 好的抗弯性能 已经被广泛应用于航空 船舰 建筑等领域 本文对玻璃纤维增强树脂为 面板 泡桐木 为芯材的复 合材料夹层构件进行抗 弯试验 研究夹层结构的抗弯性能 测得 的试验结果与有 限元分 析结 果进 行分析对比 为复合 材料 夹层结构 的抗 弯设计提 供参 考 1试 验 研 究 1 1 试 验 试 件 复合材料夹层 结构 的面板 采用乙烯 基树脂 E 一 玻璃纤 维 芯材采用泡桐木 为提高 面板与芯材 的抗剥离 能力 采 用齿槽式界 面 每间 隔 25m m 开槽 槽 宽 2 2m m 槽深 3m m 采用真空导人工艺成型 51 夹层结构参数 如表 1 所示 试验 测得材料基本力学性能如表 2 所示 1 2试验方法 采用 4 点弯曲试验 加载方法 如图 2 所示 61 加载装 置 图 1 夹层结构截面参数 表 1 夹层结构尺寸参数 收稿日 12014 O1 10 作者简介 周 翔 南 京 工 业 大 学 土 杠 程 学 院 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 江苏建筑 20 14 年第 2 期 总第 16 1 期 表 2 泡桐木芯材与 纤维面板 的力学性 能 采用压 力传感器 千斤顶和分配架进行 2 点加荷 图中显示 了对应 应变片测 点位 置 面板 上的测点 1 2 3 4 位于梁 的 受压侧 测点 5 6 7 8 位于梁的受拉侧 中 位移计Ip 应 9 变 片 i p位移计 一 一 12 一一 i奎 i r 一 一 2 一 一 1 一 5 一 L71C8 j a 加载示意 b 加载照 片 图 2试验加载 图 1 3试验结果 1 试验现象及破坏形态 随着荷载 的增大 跨中弯矩 的挠 度也 随之增加 受弯构 件发 生了明显 的弯曲变形 随着荷载 的增加 伴随一声较大 的响声 3 个构件均在剪弯段 发生了芯材剪切破坏 纯 弯段 均 未出现破 坏 破坏形态如 图 3 所示 图 3破坏 形态 2 荷载一 位移曲线 试验所得 复合 材料夹层 结构的荷 载一 位 移 曲线 如 图 4 所示 F 等于 2尸 图中荷载一 位移 曲线基本处 于弹性受 力状 态 直到构件发 生破坏 直线 陡然 下降 表现 出材 料明显 的 脆性 O l 0 2O 3O 4O 5O 6O 跨中位移m 哪 图 4 四点 弯曲荷载一 位移 曲线 3 面板荷载一 应变 曲线 由试验所测得上下面板的各测点应变 随荷 载增大的变 化趋势如 图 5 所示 从应变 曲线 图所反映 的应变发展规律可 以看 出 受拉 和受压两侧 的应变 曲线近似线性发展 可在 受力分析时近 似 的把面板作为线弹性材料 l 5 OOO l ooOO l te 5ooO O a FPW 1受压侧荷载 应变曲 线 7 O 6 0 重 罟 30 2 0 警 10 0 0 5 0 0 0 l 0 0 0 0 应变 ue b FPW 1 受拉侧荷载 应变 曲线 图 5荷载一 应变 曲线 4 验证平截面假定 通过对跨 中受弯截面的各测点进行应变采集 所 得应 变 曲线如 图 6 所示 图中测点 高度 60ra m 对应 的是测点 9 如 图 2 所 示 测 点高 度 55m m 对应 的是测 点 10 测 点高 度 45ra m 对应测点 l 1 测点高度 30m m 对应测点 l 2 以此类 推 测点高度 Om m 对应测 点 15 加 m O N 羹稼 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 江苏建筑 2014 年第 2 期 总第 161 期 墨 喧 F P W 一荷 10KN 一 荷载 蔫 30 一 一荷载3OI 一 荷载40 20 15O 0o 1o000 5O 0o 0 50 0o 1000 0 150 00 应变 图 6跨 中截面高度一 应变 曲线 由图 6 曲线可以看 出 芯材 与面板分别满足平截 面假 定 而在面板 与芯材交界 处 即在截 面高度 分别为 5m m 和 55m m 的地方 出现 突变 这 是由于材料 出现变化所致 随着 荷载 的增 大 突变值越 大 可见 在受力荷载 较小时 可 近似 满足平截面假定 随着荷载增大 与平截面假定 的误 差越 大 建议抗弯设计时 为了简化计算 可近似按平截 面假定 计算 在做 精细化分析时应考虑截面应 变的突变 2 有 限 元 分 析 2 1有 限单元类型 对复合材料夹层结构抗弯试验进行了有限元模拟分析 面板 与芯材均采用 8 节点 SO LID45 三维实体单元 在 面板 与 芯材之 间不考 虑滑移 和剥离 上下 面板 和芯材耦合共用 节 点的 自由度 2 2材料属性 试 验中复合 材料面板使用 的纤维布为双轴 向正交玻璃 纤 维布 在材性试验 中发现其受力特性 近似 为线 弹性 因此 可以将面板定义为各 向同性的线弹性材料 通过材性试 验 测得弹性模量 Et 19 12G Pa 泊松 比为 O 29 泡桐木芯材定义为正交各 向异性材料 材性取 白文献 fl O1 芯材平 面外 的弹性 模量 E 4 319M Pa 芯材平 面 内方 向 的 弹性 模 量 E E 1 469M Pa 平 面 外 剪 切 模 量 G 294M Pa 平面内方向的剪切模量 G G 209M Pa 2 3有 限元分析结果 表 3 试 验值与 FE M 值对 比 7O 60 5o f 4O 世 3 O 蠡 2o 1O O 0 l 0 2 O 3O 4 O 5O 跨中位移f mm 图 7 荷载一 跨 中位移 曲线对 比 表 3 为 夹层梁抗 弯极 限承载力 实测值 与 FE M 值对 比 实 测值均大 于 FE M 值 最 大差 异小于 15 图 7 为夹层 梁 抗 弯荷 载一 位移 曲线 从图 中虚线看 出试验值和有 限元 分析 值 发展趋势一致 大小基本 吻合 有限元分析结果 能较 好的 预测泡桐木芯材夹层梁的抗弯承载力和位移 3结论 1 玻璃纤维增强树脂为 面板 泡桐木为芯材 的复合材 料夹层梁在受弯过程 中基本处于线弹性 阶段 构件破坏为 脆性破坏 2 使用有限元分析软件对夹层结构 的分析预测结果 与试验结果吻合较好 验证 了夹层结构有 限元模型 的可行 性 可用于轻木芯材夹层梁的抗弯承载力和位移 的预测 3 泡桐木芯材夹层梁受弯设计时 截面可近似按 满足 平截 面假定计算 参 考文献 11 沈观林 胡更开 复合材料 力学 M 清华 大学 出版社 2 006 2 陈建桥 复合材料 力学概 论 M 科 学出版社 2006 3 吕恩琳 复合材料 力学 M 重 庆大学出版社 1992 4 王耀 先 复合材料结构设计 M 化 学工业 出版社 200 1 5 李新华 祝 颖丹 王继辉 等 沟槽型真 空注射成 型工 艺的 研 究 U1 复合材料 学报 2003 20 4 111 1161 6 G B T 1456 1988 夹层 结构 弯曲性 能试验 方 法 S1 中国 标 准 出版 社 1988 7 张朝 晖 A N SY S8 0