T300级复合材料冲击容限和拉伸强度.doc

T300级复合材料冲击容限和拉伸强度 北京航空航天大学附属中学 成员：崔容 熊天宇 张子琪指导教师：魏云波 （以上姓名排序皆按照姓氏字母顺序） 摘要：采用落锤式冲击台冲击了国产T300复合材料层板，测量冲击高度与冲击凹坑深度的关系。采用高频疲劳力学试验机对冲击后的复合材料层板进行了压缩强度试验，测定了冲击凹坑深度与压缩剩余强度之间的关系，对复合材料层板的冲击损伤及其强度有深入的了解，验证了前人的猜想，得到了关于冲击凹坑深度、冲击能量、压缩(拉伸)强度的关系，这大大方便了实际中的简便计算。关键词： T300级复合材料 冲击损伤容限 拉伸强度 一、 前言1. 研究背景：目前冲击损伤是飞机结构强度设计中一个非常重要的问题。飞机在实际飞行中由冰雹，鸟撞或者在维修过程中不经意都会对连接件产生一定程度的冲击损伤，并且在连接件材料的表面留有一定的破坏凹坑或表面拉伸。而且，现如今，复合材料在飞机上的运用越来越受重视，了解复合材料的冲击性能就尤为显得重要。本实验探究冲击损伤与凹坑深度之间的内在联系还有材料本身拉伸强度的结构特性。 就在不久前，应用了T300级复合材料的我国国产猎鹰06高教机准备投入实现首次装机件试制 。T300复合材料属环氧基碳纤维增强复合材料。由碳纤维和树脂结合而成的复合材料由于具有比重小、韧性好和强度高、比强度高、比模量高、密度小、耐热、耐低温、优异的热物理性能、化学稳定性以及材料性能可设计等优点,已广泛应用于航天、航空、体育休闲和工业领域。研究碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能,尤其是其高温性能,对其在超常环境下的使用具有重要意义。 所以现在是一个研究与应用复合材料的高速时代。 2.文献调研： 我组共查阅了有关（及其相关）资料论文15篇，其中有效（对本组研究有一定帮助的）论文11篇。 通过对文献资料的研究与思考，我们认为（结合文献中思想）：新材料的引入有可能使航空器性能发生巨大的变化, 但新材料在航空器结构中真正得到使用, 必须经过耗时耗钱的研究和验证。如果在材料研制的早期能预见新材料体系在结构中的应用前景, 做出正确的决策, 就可以避免时间和金钱的浪费。而要实现这一目标, 正确的材料性能表征体系是其中的关键之一，而我们所做的实验即是在测量该材料的性能表征。复合材料飞机结构的使用经验表明: 在结构完整性方面与金属结构的最大差别是其耐久性和损伤容限要求, 特别是对冲击损伤的敏感性。最近文献进一步把复合材料结构对冲击损伤的要求归结为与耐久性和损伤容限相提并论的损伤阻抗设计要求。所以这一研究针对材料冲击容限的前景是广阔的，而这么做也是有意义的，所以从意义上这是有价值的。3.研究意义：验证了三个变量即凹坑深度、压缩强度、冲击能量的关系和前人的模型关系式，提出适合于本次实验材料板的模型。利用该模型，可以从实际工程中得到冲击能量，有利于工程中使用复合材料的损伤评估。从而达到简便计算T300型材料的损伤容限的数值来估算其仍可承受的能量限值。 4.研究思路二、 研究方法及过程1) 研究内容使用落锤式冲击试验台对复合材料层合板进行冲击试验，严格控制冲击能量的大小以及冲击点的位置，精确测量损伤凹坑深度，得到冲击能量与凹坑深度的关系;并使用高频疲劳机对进行过冲击实验的层合板进行拉伸（压缩）强度的检测。 落锤式冲击试验台性能参数本次试验使用落锤式冲击试验台。试验台的总高度1354mm，落锤导轨高度为1280mm，落锤下落高度1100mm，导轨管径为8mm。冲击头为半球状，直径为16mm，冲击块质量为11.436，由于冲击能量比较小，提高能量精度，故去掉冲击块下方两块夹块，冲击块质量变为8.227kg，最大冲击能量可达到88.5J。底座压板冲击块图1 冲击台整体概况工作原理：将试验板放置于底座上，并且用薄板压住固定（如下图2），根据所需的能量，将冲击块抬到一定高度释放，冲击块沿着竖直的导轨自动下落，作用于试验板上，完成一次冲击。图2 冲击固定高频疲劳机性能参数高频疲劳试验机可以对构件进行疲劳试验以及静强度试验。实验室中有两台长春仟帮制 图3 力学高频疲劳机及材料板托造的高频疲劳机，最大的施加的静载荷为50KN以及100KN，动载荷分别为25KN以及50KN。可以对板材和棒材进行试验。复合材料试验件参数复合材料实验板材料是T300树脂，纤维体积分数60%，材料铺层方式是准各向同性：45/90/-45,05s,单层厚度0.12mm，总共40层，板材长150mm，宽100mm，厚度是5mm，如下图3示意图。图4 复合材料板1. 实验设计1.1 冲击试验参数的选取a) 冲击能量根据质量块的高度势能得到：冲击能量可以用W=MgH来表示。M指冲击块的质量。H表示冲击块撞击头与材料板的距离。根据5个不同高度得到不同的冲击能量，如下表所示： 冲击高度50mm100mm150mm200mm250mm冲击能量4J8J12J16J20J 表1 高度与能量对应表1.2 凹坑深度以及冲击块高度测定过程凹痕深度定义为从凹痕最低点到未受到凹痕扰动的表面之间的距离。做完一次冲击试验后，就要对凹坑深度进行测定。使用游标卡尺来测量凹坑深度。如果凹坑的宽度没有超过游标卡尺的宽度，这样就可以直接把游标卡尺竖起来利用尾端的深度测量功能来直接测量。若凹坑宽度超过了卡尺的宽度，这时候就需要辅助的直尺测量，先把直尺横在凹坑上方，然后再用卡尺测量凹坑底部到直尺上表面的距离，再将直尺的厚度减去，就得到凹坑的深度。1.3 冲击后拉伸强度计算按下式计算冲击后拉伸强度其中：P冲击后拉伸强度MPa；F拉伸破坏载荷N；b试样宽度(mm)；t试样厚度(mm)。1.4 试验步骤A. 拿到复合材料试验板后对其长宽厚进行测量与校对。B. 在实验开始前，检查冲击试验装置是否完好。C. 样品编号，防止实验过程中把试样混淆。D. 将冲击试验台底座放置于冲击头下方，使其凹槽中心的圆孔与落锤同心。E. 将冲击试样放入冲击试验台底座的凹槽。F. 将压板置于试样上，并用4个螺栓固定。G. 确认所需冲击能量。H. 将落锤抬到一定的高度，进行冲击实验。I. 完成一次冲击的时候，立马用手将冲击块拖住，防止二次冲击。J. 取下复合材料板，利用游标卡尺测定并记录试样冲击表面凹坑深度。K. 取复合材料板固定在高频疲劳机上，保持对中。L. 逐步施加压载荷，直至层合板产生破坏，即可看见明显形变，做好相应的记录。 图5 固定材料板1.5 数据处理以及误差分析在整个实验过程中，做好相关数据的记录。首先拿到试验件后，就试验件的长宽厚进行测量，作好记录，确保符合试验标准。确保每一步完成后都照相取证。对于整个系统的误差主要来源于两方面，冲击能量的控制以及凹坑深度的测量。在实验过程中，在冲击块中使用直线轴承，在下落过程中滚动摩擦，几乎不用考虑下滑过程中的导轨的阻力，由于是低速冲击，可以忽略空气阻力，因此冲击能量主要在于高度的精确控制。凹坑深度测量使用标定过的游标卡尺进行测量，示值误差不超过0.01mm，误差精度满足要求。2. 冲击能量与凹坑深度理论研究研究表明，冲击能量与凹坑深度的关系是衡量复合材料抵抗冲击的能力，同时相比损伤面积和损伤宽度，凹坑深度是最容易测量的损伤参数。凹坑深度与冲击能量有良好的一一对应关系，因此选择了用凹坑深度作为损伤的度量，并用冲击能量凹坑深度关系作为冲击损伤阻抗的表征。在本实验的冲击测试条件下，当冲击头作用于复合 图5 固定材料板材料时，复合材料受弯曲应力作用，冲击正面受压应力作用，冲击背面受拉应力作用，复合材料产生弯曲变形 。复合材料的损伤主要有冲击面的树脂变形、破裂和不可见损伤，基本没有纤维剪出、断裂现象；在冲击能量较高(或复合材料的厚度较小)的情况下，复合材料的冲击面有凹陷。 在一定的冲击能量下，就会有一个对应的凹坑损伤，凹坑深度开始均以较小的斜率呈线性增大，随着冲击能量的增加，冲击能量与凹坑深度曲线趋于向水平方向延伸，凹坑深度不断增加。当冲击能量达到某一值时曲线出现拐点。拐点是复合材料层压板的损伤阻抗发生了突变。此前复合材料层压板中的纤维和基体作为整体来抵抗外来物冲击，产生的损伤主要是内部分层和少量基体裂纹，同样的冲击能量增量引起的凹坑深度增量比较小，而损伤面积和损伤宽度增量比较大，有较好的规律性。拐点的出现表明层压板的表面层出现纤维断裂，增加的能量不会产生更多的分层(或超出已有损伤宽度以外的分层)，主要用于产生从表面到内部更多的纤维断裂，同样的冲击能量增量引起的凹坑深度增量比较大，但损伤面积和损伤宽度的增量很小，甚至不增加。在对冲击能量与凹坑深度的理论模型研究中，目前有一下几种模型可以值得参考。前人对冲击能量与凹坑深度之间的关系提出了如下的关系式： (1)其中为接触系数，与冲击物和被冲击物的材料特性有关。式中vs、Es分别为冲击头的泊松比和弹性模量(MPa)；Ez为层压板最外一层在厚度方向上的弹性模量(MPa)，在缺乏试验数据时可以用单向板的横向弹性模量Ey来代替；R为冲头的曲率半径(mm)；为层压板的凹坑深度(mm)；E是与之对应的冲击能量(J)。又有人提出了一个复合材料低速冲击永久凹坑深度的预测方法。首先计算接触系数K：由模拟计算得到最大接触力fm；计算最大压入位移：计算永久凹坑：取=0.08为材料常数临界压入位移；则 (2)那么这几种方法是否正确，是否可以用于这种试验复合材料板的冲击凹坑模型，就要对实验数据以及三次拟合曲线表达式进行比对，验证其是否适用。若有一定的出入，可以在上述几个式子的基础上修改模型，提炼出与实验结果相符合的模型。三、 研究结果分析与讨论1. 研究结果与结论 冲击深度和拉伸强度，测得的数据填入下表中：表2 冲击实验数据 压缩实验数据填入下表：试件编号冲击高度（mm）冲击能量(J)破坏载荷（N）试样截面积（mm2）压缩强度（MPa）破坏模式以及位置 1 4003279350500158.7中部两边裂开，中间微微隆起 2 5004069580500139.16中间冲击处隆起明显 3 6004894520500189.04中间凹坑处不对称隆起 4 7005664469500128.938中间凹坑处一侧隆起明显 5 7506066122500132.244中间凹坑处两侧隆起明显表3 压缩实验数据得到数据之后，对数据分析。将冲击能量与凹坑深度、拉伸强度的对应数据点绘成图形，并采用三次曲线方程来拟合曲线，得到拟合的三次曲线方程，总结变化规律。另外根据实验测得的拉伸破坏载荷计算出拉伸强度。（以下“位移”是指板材两端相对于中心线的位置移动） 图6（第一块材料的相关数据） 图7（第二块材料的相关数据） 图8（第三块材料的相关数据） 图9 （第四块材料的相关数据） 图10 （第五块材料的相关数据）凹坑深度与压缩强度如下图图11 压缩强度与凹坑深度的关系（注解：此图像为专业软件绘制。由于只有英文模式，只显示英文。Exp=指数函数 Fit=拟合strength=压缩强度 所以ExpDec Fit of strength 为压缩强度的拟合曲线 strength=压缩强度 test=实验数据 e=能量）冲击能量与凹坑深度如下图图12 凹坑深度与冲击能量的关系（注解：data=数据 Gauss=形变量 Amp=冲击能量 Fit=拟合 GaussAmp fit of data=冲击能量与形变量的拟合曲线 impacted energy=冲击能量 depth=凹坑深度）冲击能量与压缩强度如下图 图13压缩强度与冲击能量的关系经过对图13研究分析，冲击能量直接影响了层合板的压缩剩余强度。从图9中看到，冲击能量小于40J时，层合板的压缩强度下降幅度很快，从158.7MPa降低到139.16MPa。当冲击能量大于40J时候，压缩强度也减小，但是减小的幅度变缓。另外图中有一个三角形的图标，该点的数据与整个数据的变化规律不符，由于材料的性能要考虑多方面的原因，从加工到生产，会产生很多不可观察的缺陷，该数据点可能是由于试验件的发散性导致。 图13 冲击能量与凹坑深度的关系（注解：同上） 图13显示了表格3中第3列以及最后一列的函数关系，可以看到冲击能量与凹坑深度呈现非线性增加，并且随着冲击能量的增大，凹坑深度的变化率明显增大。其变化规律呈现二次抛物线形状。 由上述四幅图和函数解析式，我将其每个测量值标记与平面直角坐标系中，发现其大致成正态分布，可见得误差在可控范围内。 至此已经得到了冲击能量与凹坑深度与压缩强度的互相的拟合曲线，这样就能直观的反应它们的函数关系。 并且可以利用以上函数代入其一未知量便可得出其余变量值。这样即可达到之前叙述的目的。 例：利用游标卡尺可以量出凹坑深度的数值，代入y=61.054e(-x/0.594)+130.46的函数式，即可得到压缩强度的数值，即可分析出其纵向的压缩强度是否足以抵挡下一次冲击或压缩。 例：在物理实验中，使物体竖直下落，没有游标卡尺，当无法得到凹坑深度时。可测出起始点距落地点高度，再称量其质量，便可通过y=130.227+28.473/1+10【-(38.09-x)0.1786】的函数式来得出凹坑深度。2. 对存在问题或产生的新问题的讨论 （1）由于第一次做冲击实验时，忘记防止二次冲击，知道该材料板测得的数据是非线性数据，这就代表着实验一旦有失误，便不可使用该数据，必须重做。 （2）对于是否冲击非材料中心处会对其测量数据产生误差。由于有固定板牢靠的锁死，可近似视为不震动，故不会对实验产生影响。 （3）做高频疲劳机实验时，当材料板断裂时，由于上下各有至少104-105N的力，如何停止施力（避免剧烈伸缩）。系统设定有反作用力保护值，当其断裂时有反向保护力。 3.小结三个变量的关系皆非线性，都是呈曲线态势。我们可以通过测量T300材料的压缩强度或凹坑深度或冲击能量，代入函数关系式，而求出另外两个数据，这样就可以十分简单的在实践中节约时间和精力的计算出材料受到冲击后的性质变化等。（三种变量凹坑深度、冲击能量、压缩强度的函数关系线性或非线性关系）四、 结论与展望(一) 主要结论经过两种实验，我们整理了实验数据，得出了以上列出的3个主要函数图象和表达式。y=61.054e(-x/0.594)+130.46 -压缩强度与凹坑深度的关系y=130.227+28.473/1+10【-(38.09-x)0.1786】-凹坑深度与冲击能量的关系y=3101.4e(-x/6.835)+130.02 -压缩强度与冲击能量的关系由此可见，三个变量的关系皆非线性，都是呈曲线态势。我们可以通过测量T300材料的压缩强度或凹坑深度或冲击能量，代入函数关系式，而求出另外两个数据，这样就可以十分简单的在实践中节约时间和精力地计算出材料受到冲击后的性质变化等。(二) 研究存在的不足及展望（1）由于第一次做冲击实验时，忘记防止二次冲击，知道该材料板测得的数据是非线性数据，这就代表着实验一旦有失误，便不可使用该数据，必须重做。（2）对于是否冲击非材料中心处会对其测量数据产生误差。由于有固定板牢靠的锁死，可近似视为不震动，故不会对实验产生影响。（3）做高频疲劳机实验时，当材料板断裂时，由于上下各有至少104-105N的力，如何停止施力（避免剧烈伸缩）。系统设定有反作用力保护值，当其断裂时有反向保护力。五、 致谢首先要感谢魏云波老师及学校对我们给予的高度重视。再者，感谢张亦波老师所给予的理论和实践上的悉心指导和熊教授在撰写结题报告中给出的建议。下面是我们所用到的文献资料，感谢他们的作者为我们的研究提供经验。 【1】E.Demuts. 复合材料的损伤容限