三维编织复合材料T型梁弯曲疲劳性能研究_张中伟
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FＲP / CM 2014. No. 4
2014 年第 4 期
43 玻璃钢 / 复合材料 最终总结出三维编织复合材料 T 型梁疲劳破坏机 理， 为其在各领域的应用提供参考基础 。 2 三点弯曲疲劳测试 三维编织复合材料 T 型梁的三点弯曲疲劳测试 在 MTS 810. 23 测试系统上进行。 实验中材料筋高 朝下， 由下方两个支撑辊支撑， 一个压辊从上方压在 梁底 板 的 中 间 位 置， 三 个 辊 尺 寸 相 同， 直径为 20mm， 长 度 为 70mm， 两支撑辊之间的距离为 160mm。在实验过程中， 下方支撑辊根据程序设定 在液压油作用下带动材料上下循环运动 。 三点弯曲疲劳实验在室温 （ 25℃ ） 下进行， 采用 应力比为 0. 1 、 频率为 3Hz 的正弦波加载方式， 分别 70% 、 60% 和 50% 四个应力水平 （ 疲劳试 选取 80% 、 验施加的最大应力与材料所能承受的最大弯曲应力 之比） 进行测试， 其中材料最大弯曲应力由准静态三 点弯曲试验（ 试验速度为 2mm / min） 测得。 结果与分析 实验过程中 MTS 测试系统记录材料疲劳加载 的循环次数以及所承受的实时载荷和挠度值， 通过 提取数据得到： 80% 应力水平下材料疲劳失效循环 次数为 1125 圈； 70% 应力水平下材料疲劳失效循环 次数为 5942 圈； 60% 应力水平下材料疲劳失效循环
3. 2
载荷挠度曲线
提取其中 根据 实 验 获 得 的 即 时 载 荷 和 挠 度， 70% 和 60% 应力水平下特定循环次数的数据进行 分析， 得到三维编织复合材料 T 型梁选定循环次数 的应力挠度曲线， 如图 3 所示。 由图 3 可知， 随着 加载循环次数不断增加， 材料所能承受的最大载荷 不断减小， 这是由于在不断加载过程中， 材料出现破 坏， 刚度发生下降。 在图中可以看到一个特别的区 该区域在较少循环次数内位移发 域（ 图中 A 区域） ， 生相对较大的增加， 同时所能承受的载荷发生相对 较大的下降， 这表明材料在这个区域内产生最终破 坏从而发生疲劳失效。
准则， 结合应力比的影响对试样在变幅载荷实验下 的疲劳寿命进行预测， 疲劳寿命的预测结果与实验 Clark 等［14］ 对 z结果具有很好的一致 性； S. Ｒudovbinders 体积含量不同的三维正交机织复合材料研 究发现， 三维机织复合材料的疲劳寿命和抗疲劳性 能相对二维机织复合材料较低， 材料的抗分层能力 binder 含量增加而提高。 随 z随着 T 型结构件在航空航天等领域广泛应用， 其性能方面的研究逐渐受到重视， 目前国内和国际 一些研究人员对复合材料 T 型结构件有了一定研 究
指出样品的屈曲强度随着应力比的增加同比例增 加， 裂纹的缓慢扩展是动态疲劳断裂的主要因素 ； Tsai 等［12］研究了三维多层角联锁机织复合材料板 的疲劳性能， 发现三层的试样比五层的试样承受静 态载荷的能力更强， 但是其抗疲劳能力以及疲劳极
［ 13 ］ Miner' s 限相对较差； P. N. B. Ｒeis 等 采用 Palmgren-
［1 ］
层压板疲劳机理及疲劳性能的因素进行了总结介 绍， 并对未来复合材料疲劳性能方面的研究进行了 展望； 贾宝惠等
［10 ］
基于疲劳累积损伤模型和刚度降
解模型， 将复合材料疲劳损伤划分为两个阶段 ， 用两 种不同函数建立了疲劳损伤演化两阶段模型 ； Ｒen 等
［11 ］
研究了二维碳 / 碳复合材料的动态疲劳现象，
通过三维机织复合材料三点弯曲疲劳
测试， 分析疲劳过程中材料的刚度变化 ， 观察了材料 的疲劳特性和疲劳损伤发展， 并与单向层板材料进 行了对比； 陈春露等
［2 ］
对层合板复合材料疲劳模型 对单向 C f / SiC 复合材料
对未来层合板分层疲劳性能 研究进展进行了介绍， 进行了展望； 曹英斌等
［3 ～ 5 ］
对影响碳纤维 / 环氧树脂
0809 收稿日期： 2013基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （ 11272087 ） ； 东华大学研究生创新资助项目 （ EG2013004 ） ） ，男，硕士，主要从事复合材料方面研究，lingfeng0207@ 126. com。 作者简介： 张中伟 （ 1988-
三维编织复合材料 T 型梁规格参数
The specifications of 3D braided composite Tbeam
项 目 规 格
纤维牌号 树脂 固化剂 预制件结构 纱线总数 / 根 编织角 / ° 花节长度 / mm 复合材料尺寸 / mm 纤维体积含量 / %
12K 碳纤维 东丽 T70002A 环氧树脂 常熟佳发 JC02B 改性酸酐 常熟佳发 JC三维四向 190 30 ± 3 2． 5 ～ 3． 0 底板： 220 × 44 × 4 ； 筋高： 220 × 4 × 8 57 ± 2
图1 Fig. 1 表1 Table 1 三维编织复合材料 T 型梁 3D braided composite Tbeam
1
三维编织复合材料 T 型梁制备 本课题所使用复合材料 T 型梁预制件采用三维
四步法编织获得。 三维编织技术由 L. Ｒ. Sanders 于 1977 年引入工程应用中， 三维编织技术通过纤维在 空间按一定规律排列后相互交织而获得三维无缝合 完整结构， 该工艺可以制造各种形状的结构件 ， 同时 这种结构使复合材料分层问题得到很好的解决， 大 大提高了其抗损伤能力
42 2014 年 4 月 三维编织复合材料 T 型梁弯曲疲劳性能研究
三维编织复合材料 T 型梁弯曲疲劳性能研究
* 张中伟 ，严 （ 东华大学纺织学院，上海
静
201620 ）
利用 MTS 810. 23 仪器对材料进行准静态三 摘要： 采用四步法三维编织以及 VAＲTM 技术制得三维编织复合材料 T 型梁， N曲 点弯曲测试， 使用频率为 3Hz、 应力比 Ｒ = 1 的 正 弦 波 加 载 条 件对 材料 进行 弯 曲 疲劳 测试。 根据 测 得 的数据 分析 获 得 S线、 应力位移曲线以及最大最小位移曲线， 材料在 50% 应力水平下其三点弯曲疲劳加载循环次数超过 50 万次。通过最终破坏 形态可知， 筋高处纤维的断裂是导致材料最终失效的主要破坏模式。 关键词： 三维编织; T 型梁; 弯曲疲劳; 破坏模式 中图分类号： TB332 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 0999 （ 2014 ） 04 － 0042 － 05
N 曲线 图 2 SN curve Fig. 2 S-
阶段中， 在较少循环次数内， 材料的位移量发生显著 增加， 这是由于加载开始以后， 复合材料的基体在载 荷作用下开始发生基体开裂现象， 导致材料模量短 时间内有较大幅度下降； 初始基体开裂产生后， 随着 加载过程继续， 裂纹开始在基体内扩展， 当裂纹扩展 到碳纤维与基体交界处时， 引发纤维与基体界面间 脱粘现象， 对应图中 B 阶段， 这个阶段所需要的时间 较长， 同时对材料模量的影响较小， 材料位移量产生 变化较小； 当裂纹扩展到纤维内部时， 随着应力集中 就会导致纤维断裂的发生， 此时材料模量发生大幅 下降， 材料位移量剧烈增加， 材料出现最终疲劳失 效， 对应图中 C 阶段。
FＲP / CM 2014. No. 4
44 2014 年 4 月 三维编织复合材料 T 型梁弯曲疲劳性能研究 3. 3 最大最小位移曲线 为了更好地了解在三点弯曲疲劳过程中三维编 织复合材料 T 型梁的疲劳破坏过程， 提取 60% 应力 水平下 N = 31365 的 T 型梁为研究对象， 根据获取的 挠度数据分析得到其在疲劳循环加载过程中的最大 最小位移曲线， 如图 4 所示。从图 4 中可以看出， 该 B 和 C ） 。A 试样的疲劳破坏过程包含三个阶段 （ A、
［8 ］
对中心带有孔洞的玻璃纤维
， 但至今尚没有对其弯曲疲劳性能的详细研
增强陶瓷基复合材料进行了拉压疲劳实验， 发现拉 压疲劳相对于拉拉疲劳纵向裂纹增多， 材料的疲劳 寿命相对减小； 张阿樱等
［9 ］
究。本次工作以三维编织复合材料 T 型梁为材料， 在 MTS 810. 23 测试系统上对其进行三点弯曲疲劳 测试， 根据其在不同应力比下获得的数据进行分析 ，
航空航天领域以及军工领域开始向轻质高强方 向发展， 因此复合材料逐渐受到重视并开始在该领 域广泛应用。同时复合材料在建筑材料、 体育用品、 医疗器械、 汽车安全等领域也得到迅速发展 。 在实际使用过程中， 复合材料通常要承受多种 形式的循环加载， 如拉拉疲劳、 压压疲劳、 拉压疲 劳以及弯曲疲劳等。 目前， 研究人员通过有限元分 析以及实验对复合材料疲劳性能进行了一系列研 究。丁辛等
（ a） 70% 应力水平（ 失效循环次数 N = 5942 ） （ a） 70% stress level （ failure cycles N = 5942 ）
图4
最大最小位移曲线（ 60% 应力水平 N = 365 ） Fig. 4 Max and min deflections curves （ stress level of 60% N = 31365 ）
［18 ］
。 使用真空辅助树脂传
递模塑成型工艺 （ VAＲTM ） 制备得到三维编织复合 材料 T 型梁。如图 1 所示为三维编织复合材料 T 型 梁正面图及其侧面图。表 1 给出了三维编织复合材 料 T 型梁的规格参数。
3
次数为 31365 圈； 而材料在 50% 应力水平下经过 5 × 10 5 圈以后仍然没有失效。 3. 1 SN 曲线 根据实验所得疲劳循环次数数据可以得到三维 编织复合材料 T 型梁应力水平与其疲劳循环次数之 N 曲线， 间的关系曲线即 S如图 2 所示。 由图 2 可 以清楚看到， 三维编织复合材料 T 型梁疲劳寿命随 应力水平增大而减小。 同时， 由于三维编织复合材 料 T 型梁在同一应力水平下疲劳寿命有一定离散 型， 图中给出了应力水平与疲劳寿命关系的置信水 平为 95% 的区域， 表示在该区域内可以对三维编织 复合材 料 T 型 梁 进 行 对 应 应 力 水 平 下 精 确 度 为 95% 的疲劳寿命预测。
