复合材料强度测试试题及答案

复合材料强度测试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.对单向碳纤维/环氧层合板进行纵向拉伸试验时，若纤维体积分数为60%，实测拉伸强度为2200MPa，已知纤维强度σf=3500MPa，基体对纵向强度的贡献可忽略，则该复合材料的纤维强度利用率最接近下列哪一数值？（）A.0.63B.0.71C.0.78D.0.852.在三点弯曲测试中，若跨厚比L/h=16，试样宽度b=12.7mm，厚度h=2.0mm，实测弯曲强度为σf=850MPa，则破坏载荷P最接近（）A.680NB.850NC.1020ND.1360N3.采用短梁剪切（SBS）法测定层间剪切强度时，ASTMD2344规定跨厚比为（）A.2B.4C.8D.164.对[0/90/0/90]S对称层合板进行面内压缩试验，若单层0°压缩强度为1200MPa，90°压缩强度为200MPa，则首次出现基体微屈曲的临界载荷对应的宏观应变εc可用下列哪一经验公式估算？（）A.εc=0.6×10⁻³B.εc=1.2×10⁻³C.εc=2.0×10⁻³D.εc=3.5×10⁻³5.采用Iosipescu剪切试验测定±45°编织碳/环氧的剪切模量G12，若应变片测得±45°方向正应变εx=0.8%，εy=−0.75%，则G12最接近（）A.4.2GPaB.5.1GPaC.6.3GPaD.7.4GPa6.在湿热环境下，T300/环氧层合板的玻璃化转变温度Tg由干态的195℃降至湿态的155℃，若采用120℃高温拉伸，湿态强度保持率与干态相比约下降（）A.5%B.10%C.15%D.25%7.采用双悬臂梁（DCB）试验测得复合材料I型层间断裂韧性GIc，若载荷−位移曲线线性段斜率m=350N/mm，裂纹长度a=35mm，试样宽度b=20mm，弹性模量E11=140GPa，则GIc计算式为（）A.GIc=3P²a²/(2bE1h³)B.GIc=3P²a²/(bE1h³)C.GIc=12P²a²/(bE1h³)D.GIc=P²a²/(2bE1h³)8.对[0/±60]S层合板进行开孔拉伸，孔径6mm，板宽36mm，应力集中系数Kt与孔边无缺口强度σ0之比定义为剩余强度系数RS，若σ0=1800MPa，实测σN=1250MPa，则RS为（）A.0.58B.0.69C.0.75D.0.819.在落锤冲击（CAI）试验中，冲击能量4.5J/mm，冲击后压缩强度保持率CAI%与凹坑深度d相关，经验公式CAI%=100−15d(mm)，若测得d=0.8mm，则CAI%为（）A.78%B.82%C.88%D.92%10.采用ASTMD6641组合加载压缩（CLC）夹具，试样标距长L=12.7mm，宽b=12.7mm，厚h=2.0mm，实测破坏载荷P=18.5kN，则压缩强度σc为（）A.728MPaB.845MPaC.928MPaD.1050MPa二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列哪些因素会显著降低碳纤维/环氧层合板的横向拉伸强度？（）A.纤维表面氧化过度B.孔隙率>2%C.纤维体积分数>70%D.吸湿率>1.2%E.固化降温速率过快12.关于复合材料层间剪切强度ILSS的测试方法，下列说法正确的有（）A.短梁剪切法得到的ILSS为表观值，非真实剪切强度B.采用V型缺口梁剪切（ASTMD5379）可获得纯剪切状态C.四点弯曲法可避免层间剪切与弯曲耦合D.薄壁管扭转法可测得面内剪切强度而非层间剪切E.若试样发生明显塑性变形，ILSS结果需用0.2%偏移法修正13.在采用数字图像相关（DIC）技术测量层合板开孔拉伸全场应变时，下列操作正确的有（）A.喷涂黑白散斑前需用酒精擦拭表面脱模剂B.散斑平均直径宜取3~5像素C.子区大小应大于散斑直径的3倍D.计算应变前需进行刚体位移校正E.采用双摄像头系统可实现三维形貌测量14.下列关于复合材料疲劳寿命预测模型的描述，正确的有（）A.剩余刚度模型以弹性模量退化作为失效判据B.剩余强度模型假设疲劳强度随循环次数线性下降C.疲劳极限图（Goodman图）可用于均值应力修正D.累积损伤法则中，Miner法则适用于随机谱载E.采用Paris公式可预测疲劳裂纹扩展速率da/dN15.在低温−60℃环境下，下列哪些现象可能导致碳/环氧层合板强度异常下降？（）A.基体玻璃化转变B.纤维−基体界面脱粘C.基体脆性增大D.热残余拉应力增大E.纤维微裂纹萌生三、填空题（每空2分，共20分）16.对单向层合板进行纵向拉伸，若纤维强度σf=4200MPa，基体强度σm=80MPa，纤维体积分数Vf=65%，按混合律估算的纵向拉伸强度σL=________MPa。17.在三点弯曲试验中，若跨距L=80mm，试样厚度h=4mm，宽度b=15mm，实测破坏载荷P=1.2kN，则弯曲强度σf=________MPa。18.采用ASTMD3518对[±45]2S层合板进行拉伸剪切试验，若测得0°方向拉伸模量Ex=16.2GPa，则面内剪切模量G12=________GPa。19.对层合板进行I型层间断裂韧性DCB试验，若裂纹扩展Δa=5mm，对应的应变能释放率GIc=0.28kJ/m²，则临界载荷Pc=________N。（已知E11=150GPa，h=3mm，b=20mm）20.在湿热环境下，吸湿率M=1.5%，经验公式给出湿态压缩强度保持率R=100−8M，则R=________%。21.采用落锤冲击，冲击头质量5kg，下落高度1m，试样厚度3mm，则冲击能量E=________J/mm。22.对[0/90/0]S层合板进行自由边缘应力分析，若每层厚度t=0.125mm，则自由边缘层间正应力σz在90/0界面处出现奇异，其奇异指数λ≈________。23.采用Hashin失效准则判断单向层合板在σ1=1800MPa，σ2=60MPa，τ12=40MPa作用下是否失效，已知Xt=2000MPa，Xc=1200MPa，Yt=60MPa，Yc=200MPa，S=80MPa，则纤维拉伸失效指数FI=________。24.对编织碳/环氧进行面内剪切疲劳，应力比R=0.1，最大剪切应力τmax=120MPa，疲劳极限τf=90MPa，则Goodman图均值应力修正后的等效剪切应力幅τa=________MPa。25.采用超声波C扫描检测孔隙率，若衰减系数α=1.2dB/cm，试样厚度d=2mm，经验公式孔隙率P=0.23α−0.05，则P=________%。四、简答题（每题10分，共30分）26.阐述短梁剪切（SBS）试验测定层间剪切强度ILSS的局限性，并提出两种改进方案以提高测试精度。27.说明采用数字图像相关（DIC）技术测量开孔层合板孔边应变集中时，散斑制备、图像采集与数据后处理的关键步骤及注意事项。28.对比ASTMD6641组合加载压缩（CLC）与ASTMD695端加载压缩两种方法的夹具特点、应力状态差异及其对测试结果的影响。五、计算与综合应用题（共65分）29.（15分）某单向碳/环氧层合板用于无人机主承力杆，纤维体积分数Vf=62%，纤维弹性模量Ef=230GPa，基体模量Em=3.5GPa，纤维强度σf=4100MPa，基体强度σm=90MPa，界面剪切强度τi=60MPa。试：（1）按混合律计算纵向弹性模量E11；（2）按混合律估算纵向拉伸强度σL；（3）若实测σL=2400MPa，求纤维强度利用率；（4）分析实测值低于理论值的主要原因（至少三点）。30.（20分）对[0/45/90/−45]2S对称层合板进行三点弯曲试验，跨距L=100mm，试样总厚h=4mm，单层厚t=0.125mm，宽度b=25mm，各方向单层模量已知：E1=140GPa，E2=9GPa，G12=5GPa，ν12=0.3。试：（1）计算该层合板的等效弯曲模量Ex；（2）若实测破坏载荷P=2.1kN，求弯曲强度σf；（3）采用经典层合板理论计算最外层0°单层的面内应力σx；（4）判断最外层0°单层是否发生纤维拉伸失效（Xt=2200MPa）。31.（30分）某航空碳纤维/环氧蒙皮壁板含φ6mm中央圆孔，板宽W=36mm，板厚t=3mm，铺层[45/0/−45/90]3S，材料常数：E1=150GPa，E2=10GPa，G12=5GPa，ν12=0.3，Xt=2200MPa，Xc=1200MPa，Yt=60MPa，Yc=200MPa，S=80MPa。试：（1）采用有限宽板应力集中系数图，查得Kt=3.2，求孔边最大纵向应力σ1max；（2）采用特征尺寸法（d0=1.0mm），估算开孔拉伸强度σN；（3）若实测σN=1050MPa，与估算值对比并分析误差来源；（4）提出提高开孔拉伸剩余强度的三种工程措施，并定量说明其效果（给出经验公式或文献数据支持）。六、答案与评分标准一、单项选择题1.A2.C3.B4.B5.B6.C7.A8.B9.C10.A二、多项选择题11.ABDE12.ABDE13.ACDE14.ACDE15.BCDE三、填空题16.273017.18018.5.519.25620.8821.16.322.−0.3223.0.8124.8525.0.23四、简答题26.局限性：1.剪切面同时存在正应力，非纯剪切；2.跨厚比小导致挤压与弯曲耦合；3.裂纹扩展路径不沿界面，结果偏低；4.对厚度敏感，无法获得真实剪切强度。改进：1.采用V型缺口梁剪切（ASTMD5379），实现纯剪切；2.采用Iosipescu剪切，缺口处剪应力均匀；3.采用±45°拉伸剪切（ASTMD3518），获取面内剪切强度。27.关键步骤：1.表面清洁→喷砂→喷底漆→黑白散斑直径3~5像素；2.双摄像头标定误差<0.02像素，采集帧率≥5Hz；3.子区大小≥3倍散斑直径，步长取散斑半径；4.刚体位移校正采用参考子区；5.应变计算采用Gaussian滤波窗口5像素，去除噪声；6.孔边奇异区采用子像素插值，误差<50με。28.CLC夹具通过组合剪切与端部加载，剪切载荷占比约40%，有效避免端部压溃；应力状态为沿长度方向均匀压缩，失稳模态为剪切型屈曲；D695端加载依赖端面摩擦，易早期压溃，应力集中系数高，结果偏低约10~15%；CLC适用于高模量薄板，D695仅适用于厚板或低模量材料。五、计算与综合应用题29.（1）E11=230×0.62+3.5×0.38=143.9GPa（2）σL=4100×0.62+90×0.38=2574MPa（3）利用率=2400/2574=0.93（4）原因：1.纤维强度离散；2.界面脱粘；3.孔隙缺陷；4.纤维波浪度；5.残余热应力。30.（1）经经典层合板计算，等效Ex=54.2GPa（2）σf=3PL/(2bh²)=3×2100×100/(2×25×4²)=787.5MPa（3）最外层0°应力σx=M·z·Q11/I=787.5×2×0.805=1268MPa（4）1268MPa<2200MPa，未失效。31.（1）σ1max=Kt·σ