復(fù)合聚合物層合梁彎曲正應(yīng)力的測試與計算

【摘要】在此次創(chuàng)新中運用了電測技術(shù)對不同配比的環(huán)氧樹脂與有機玻璃復(fù)合層合梁的彎曲正應(yīng)力進行了測試，并且基于層合梁彎曲的理論，計算了均布載荷作用下簡支層合梁的彎曲正應(yīng)力。

【關(guān)鍵詞】彈性層合梁；電測技術(shù)；彎曲正應(yīng)力；中性軸

1.選題背景

復(fù)合材料將兩種或多種性質(zhì)不同的材料組合成一種具有多種性能的材料，新組成的材料的性能優(yōu)于任何一種基體材料。聚合物復(fù)合材料是由諸多聚合樹脂制成的多相位材料，它們可產(chǎn)生一種比任何一種獨立物質(zhì)性能都要強的疏松物質(zhì)，減少成本、減少體積密度或增加美觀性；增強聚合物的性能，改善諸如硬度及強度等的機械性能；承載負荷，保護纖維。

多年來，聚合物復(fù)合材料在生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用，建筑業(yè)成為聚合物復(fù)合材料的第二大消費產(chǎn)業(yè)，在全球市場消費份額中的比例為35%。在土木結(jié)構(gòu)翻修、式樣翻新，作為鋼筋混凝土以及較少范圍的新型土木結(jié)構(gòu)的替代物方面，聚合物復(fù)合材料為其自身樹立了實際可行及具有競爭力的形象。聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)在戰(zhàn)略導(dǎo)彈、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、運載火箭及航天飛行器的太陽電池陣結(jié)構(gòu)、有效載荷結(jié)構(gòu)、本體結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、熱控制系統(tǒng)和壓力容器的應(yīng)用十分廣泛且對國家軍事水平的發(fā)展都有深遠意義。

2.方案論證

有關(guān)層合梁應(yīng)力分析的一般理論已有一些研究成果，而彈性層合梁彎曲的Timoshenko理論則為工程計算提供簡易可行的理論依據(jù)。在材料力學(xué)課程中有經(jīng)典的單層彈性梁的純彎曲實驗，是以驗證理論結(jié)果為主的。本研究在傳統(tǒng)單層彈性梁的純彎曲實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計和實施了層合梁的彎曲實驗。運用電測技術(shù)對多層復(fù)合物聚合材料層合梁的彎曲正應(yīng)力進行了測試，并且運用彈性層合梁彎曲的Timoshenko理論，計算了四點彎曲簡支層合梁的彎曲正應(yīng)力分布。

3.研究方法

制作多層復(fù)合梁試件

試件采用澆鑄的方法做出。試件分組如下表。（EP固化劑與環(huán)氧樹脂配比1：1為現(xiàn)在市場上最流通的配比。）

組別EP固化劑與環(huán)氧樹脂配比溫度固化時間

A1：215℃24h

B1：115℃24h

C2：115℃24h

在雙層聚合物復(fù)合材料梁的上表面放置了硬質(zhì)鋼塊。通過試驗機壓頭和輔助鋼梁將3KN的載荷力施加在變形很小的硬質(zhì)鋼塊上，硬質(zhì)鋼塊將試驗機所加3kN的力分解成兩點上各1.5kN的力。

粘貼應(yīng)變片及橋式電路的搭建

三個層合梁取距離支座l/2處的橫截面為彎曲正應(yīng)力的測試截面。在雙金屬層合梁的上頂面、下底面各布1個應(yīng)變片，上、下兩層梁的側(cè)表面等距各布3個應(yīng)變片，共有8個應(yīng)變片，并用半橋方式接線與應(yīng)變儀相聯(lián)。

考慮圖b中所示簡支層合梁在兩點荷載作用下的彎曲。層合梁上下兩層的橫截面積分別為 和 ，對中性軸（二軸）的轉(zhuǎn)動慣量分別為

上式中， 為中性軸到下層底面的距離，即：

分別為上下兩層的材料楊氏模量.假設(shè)層合梁橫截面變形后仍為平面，根據(jù)彈性層合梁彎曲的Timoshenko理論，可以給出在兩點力作用下簡支層合梁內(nèi)的彎曲正應(yīng)力計算公式為：

其中， 為層合梁的等效抗彎剛度， 為點到下層梁底面的距離。

4 研究成果

根據(jù)情況，實驗值與理論值之間存在一定的誤差.引起誤差的主要原因有：貼片的定位、應(yīng)變儀讀取以及高分子材料的彈性特點不同于金屬材料。另外，理論計算是以理想純彎曲的平截面假設(shè)為前提的，它與雙點荷載作用下的橫力彎曲實驗會有一定偏差.可以看到：雙金屬層合梁的彎曲正應(yīng)力的實驗測試值比較接近，相互印證了結(jié)果的正確性。層合梁的中性軸偏離了幾何形心軸，上下層應(yīng)力分布曲線的斜率不同，在上下層粘合處（界面）彎曲正應(yīng)力發(fā)生了突變，這些都顯示了復(fù)合材料的基本特征。

5.創(chuàng)新點

1.目前的材料力學(xué)經(jīng)典實驗中都是對均質(zhì)各向同性金屬的彈性梁進行彎曲正應(yīng)力的測試，對于層合梁的彎曲正應(yīng)力分布并沒有涉及，本項目可作為對傳統(tǒng)的彈性梁純彎曲實驗的擴展和彎曲正應(yīng)力公式推導(dǎo)的延伸。

2.聚合物復(fù)合材料在航天、導(dǎo)彈等軍事領(lǐng)域適用范圍極廣，有關(guān)本項目的研究可以為工程設(shè)計提供重要的參考，具有實用意義。

3.實驗切合了當今生產(chǎn)生活的趨勢：通過探究聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)提出強度增強、耐用增強的方案，實現(xiàn)材料的可持續(xù)發(fā)展。

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