复合材料偏心压缩快速评估方法

王秋宇 汤家力

复合材料偏心压缩快速评估方法

王秋宇 汤家力

本文通过线性拟合的方法对不同铺层复合材料试验件在不同偏心距下的压缩试验件结果进行处理，得到偏心压缩时压缩和弯曲耦合关系对破坏载荷的影响，然后结合对心压缩试验结果拟合压缩与弯曲影响关系曲线，为复合材料结构偏心压缩的工程快速评估提供了方法。

碳纤维树脂基复合材料由于其突出的性能而广泛用于航空航天、机械、能源和交通等领域，复合材料结构的分析评估方法也日新月异，复合材料在工程中的大量应用也对工程快速评估方法提出了需求。

复合材料结构在实际应用中往往会受到压缩和弯曲载荷的联合作用，即偏心压缩的情况，在不同弯、压载荷作用下，复合材料层压板的失效模式会发生变化，从而导致结构提前失效。因此有必要通过试验研究不同压缩弯曲载荷作用下复合材料层压板的失效规律。本文通过试验数据的分析总结复合材料偏心压缩的快速工程评估方法，为复合材料结构设计提供支持。

试验概述

试验件及试验介绍

复合材料偏心压缩试验采用自行设计的专用夹具对三个炉批次、四种不同铺层形式、厚度均为t的矩形板试件进行了四个偏心位置（0，t/6，t/4，t/2）的室温单轴压缩试验。每种试验共6件试验件，试验件合计288件（3×4×4×6=288）。试验夹具如图1所示。

试验件采用名义尺寸为125mm（长）×25mm（宽）×5mm（厚）的矩形板条，试验件材料为CYCOM977－2－35－12K－HTS－268；针对不同的偏心距情况，在试验件的夹持和加载端采用玻璃纤维织物/树脂加强片胶接的方式进行局部加强，加强片材料为MXB7701/7781玻璃纤维织物环氧预浸料。

试验件共有4种典型铺层，具体铺层形式如表1所示。

表1 试验件铺层形式

试验内容及结果

通过专用夹具对试验件实施不同偏心距条件下的单轴偏心压缩，测定其力学行为（应力－应变曲线）和极限载荷。如图2所示为四种偏心距情况下试验件最终破坏情况。

图1 试验夹具原理图和实物照片

图2 4种偏心距试验典型破坏情况

图3 加载原理图

试验数据分析

压缩、弯曲应变计算

试验加载时通过试验夹具保证的载荷中线与试验件形心中性面之间的距离定义为名义偏心距。通过分析可知，偏心加载可以看成对心压缩和端部弯矩的叠加作用，如图3所示为偏心加载的原理图。

从图中可以看出，试验件两侧表面应变值为压缩与弯矩相互作用结果，因此根据“背靠背”应变片的应变值可以计算出两者单独作用的应变εF和εM。其中εmin和εmax分别为试验件 “背靠背”应变片的应变值：

压弯耦合作用分析

为分析压缩和弯矩之间的作用关系并总结失效规律，绘制各个铺层情况下试验件由压缩引起的应变和弯曲引起的关系图，然后采用线性拟合得到两种应变之间的关系曲线，同时拟合数据分布带的下限，结果如图4所示，各铺层拟合结果如表2所示，其中应变为绝对值。

表2 各铺层应变关系拟合结果

分析拟合结果可以看出，试验件破坏受到最大应变（εmax=εF+εM）影响，而分布下限则受到分散性影响，差别比较大。最大应变则受层合板最外层强度影响，工程中难以进行快速评估。

偏心压缩的工程评估

为寻找工程适用的快速评估方法，分析各铺层情况下对心压缩试验结果，认为对心压缩试验件破坏时的εF平均值为此类试验件纯压缩的破坏应变ε0，计算得到各铺层情况ε0结果如表3。

图4 各铺层试验件压缩、弯曲应变关系

图5 各铺层试验件压缩、弯曲应变关系拟合（2）

表3 各铺层压缩破坏应变ε0

对各铺层的试验结果进行再次拟合，拟合公式为εF+a·εM=ε0。各铺层的拟合情况如图5所示，拟合结果见表4。

表4 各铺层应变关系拟合结果

从拟合结果可以看出，εM所占比例均比εF小，且除铺层4以外，其他三种铺层拟合参数a在0.65－0.73之间。工程评估时可以根据层合板对心压缩数据与拟合参数a快速评估复合材料偏心压缩的失效载荷。

结语

（1）复合材料偏心压缩时，主要受外表面单层压缩强度的影响；

（2）根据对心压缩结果拟合试验数据，叠加时εM对破坏影响小于εF，除[±45]的均衡铺层以外，其他三种铺层εM与εF影响比例a在0.65～0.73之间。

王秋宇 汤家力

上海飞机设计研究院

王秋宇，男，助理工程师，上海飞机设计研究院，主要方向为飞机复合材料结构强度设计。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.09.048