復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與探索

李立兵

摘要：復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實(shí)驗(yàn)與金屬材料力學(xué)壓縮性能實(shí)驗(yàn)不同，由于其影響因素多、實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程復(fù)雜等原因，實(shí)驗(yàn)比較難以得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)而且實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果也不好。文章針對(duì)復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題進(jìn)行了分析與研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)的現(xiàn)狀與自身教學(xué)實(shí)踐，探索性地給出了復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中問題的解決方法，并通過自身實(shí)驗(yàn)教學(xué)驗(yàn)證取得了比較好的效果。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料力學(xué);壓縮性能;實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）51-0118-02

一、引言

復(fù)合材料[1]是由兩種以上不同材料通過復(fù)合工藝組合而成的新型材料。具有重量輕、比強(qiáng)度高、比剛度高、加工成型方便以及熱穩(wěn)定性能、抗疲勞性能和減振性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、化工、紡織、建筑、健身器材等領(lǐng)域。普通工程金屬材料通常具有各向同性和均質(zhì)特點(diǎn)，而復(fù)合材料則不同，它一般具有各向異性和非均質(zhì)特點(diǎn)。復(fù)合材料的性能取決于合理設(shè)計(jì)和合理復(fù)合工藝。通過合理設(shè)計(jì)，在所需要的方向上增大材料的強(qiáng)度和剛度，消除材料的冗余，最大限度地發(fā)揮材料的潛力。通過合理控制復(fù)合工藝方法、參數(shù)和過程，最大限度地保證材料產(chǎn)品的一致性。由于材料成形工藝過程中很難準(zhǔn)確控制工藝參數(shù)，因此同批次材料的性能分散性較大。另外，復(fù)合材料在成形工藝過程中形成的缺陷對(duì)材料的力學(xué)性能影響也大。因此，在工程應(yīng)用中對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的測(cè)定就變得十分重要，而其中復(fù)合材料壓縮性能測(cè)定，由于影響因素多、試驗(yàn)實(shí)施過程復(fù)雜等原因[2]，比較難以測(cè)得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。作為復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)，就很有必要研究與探索如何讓學(xué)生掌握此實(shí)驗(yàn)的技術(shù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。金屬材料力學(xué)壓縮性能實(shí)驗(yàn)[3]比較簡(jiǎn)單，實(shí)施過程也比較方便，首先根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制作圓柱形試樣，例如低碳鋼壓縮試樣高度與直徑之比為3∶2，鑄鐵壓縮試樣高度與直徑之比為2∶1，然后在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)加載過程中試樣兩端必須保持平行，且與軸線垂直，最后觀察金屬壓縮變形和破壞形式與理論分析結(jié)果相吻合。

二、復(fù)合材料力學(xué)壓縮實(shí)驗(yàn)中教學(xué)問題研究

目前，復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)為復(fù)合材料力學(xué)課程課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，而不是獨(dú)立的一門實(shí)驗(yàn)課程，這與金屬材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)課程不同。壓縮性能實(shí)驗(yàn)是其中力學(xué)性能的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)主要作用是驗(yàn)證復(fù)合材料壓縮理論，是課堂教學(xué)的一個(gè)補(bǔ)充。研究發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)問題：

1.實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式與學(xué)生能力培養(yǎng)相背離。壓縮性能實(shí)驗(yàn)作為復(fù)合材料力學(xué)壓縮理論教學(xué)的補(bǔ)充，經(jīng)過多年教學(xué)跟蹤發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間短，不能參與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，一直處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)，通常做完實(shí)驗(yàn)，處理一下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提交一個(gè)報(bào)告就結(jié)束了。等到畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)入科研階段學(xué)習(xí)的時(shí)候，要做相同材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，學(xué)生又不會(huì)做了。這表明實(shí)驗(yàn)教學(xué)只顧驗(yàn)證理論教學(xué)不行，忽略了對(duì)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)方法有待改進(jìn)。復(fù)合材料壓縮性能比其他力學(xué)性能難測(cè)定。自20世紀(jì)70年代初期以來，有關(guān)復(fù)合材料壓縮性能的研究項(xiàng)目和試驗(yàn)課題一直在進(jìn)行，迄今為止，已建立了多項(xiàng)用于測(cè)試復(fù)合材料壓縮性能的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)、材料供應(yīng)商SACMA標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)等，而且不同標(biāo)準(zhǔn)其壓縮試驗(yàn)方法和使用的夾具也不同，但是沒有一個(gè)統(tǒng)一的壓縮性能試驗(yàn)方法。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程中，一本指導(dǎo)書一直沿用，多年不變，沒有及時(shí)進(jìn)行壓縮性能試驗(yàn)方法和內(nèi)容的更新。

3.實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容有待改進(jìn)。正在進(jìn)行的“雙一流”建設(shè)，要求大學(xué)培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才。實(shí)驗(yàn)室作為大學(xué)生能力培養(yǎng)的前沿，實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核內(nèi)容不能僅限于提交一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，還要包含能力培養(yǎng)考核。只有這樣才能達(dá)到以能力培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，而不是簡(jiǎn)單驗(yàn)證一下理論。

三、復(fù)合材料力學(xué)壓縮實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

針對(duì)目前復(fù)合材料力學(xué)壓縮實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，對(duì)照“雙一流”建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)的要求，結(jié)合學(xué)校學(xué)生和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，在以下幾個(gè)方面做了探索：

1.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。以創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)，調(diào)整壓縮性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，在原有理論驗(yàn)證的同時(shí)適當(dāng)增加能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)。由于上課課時(shí)有限，目前還無法獨(dú)立開設(shè)實(shí)驗(yàn)課，因此能力培養(yǎng)環(huán)節(jié)暫放在課后執(zhí)行，作為課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充。

2.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)方法。相對(duì)于復(fù)合材料其他力學(xué)性能測(cè)定，壓縮性能測(cè)定由于影響因素多、試驗(yàn)實(shí)施過程復(fù)雜等原因，比較難以測(cè)準(zhǔn)。因此必須結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備等，選擇合適的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，采用合適的實(shí)驗(yàn)方法，準(zhǔn)確完成壓縮性能指標(biāo)的測(cè)定，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。（1）在選擇實(shí)驗(yàn)對(duì)象上，根據(jù)目前復(fù)合材料中應(yīng)用最廣、用量最大的纖維增強(qiáng)材料，其特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度和比模量大，采用碳纖維與環(huán)氧樹脂復(fù)合的材料制作壓縮試樣。考慮到復(fù)合材料的性能取決于合理設(shè)計(jì)和合理復(fù)合工藝，試樣用碳纖維材料由學(xué)生在復(fù)合材料工藝實(shí)驗(yàn)課中制造獲得，采用單向預(yù)浸料多層碳纖維層合板?？紤]到制造過程中產(chǎn)生缺陷對(duì)材料壓縮性能的影響，在試樣切割之前，進(jìn)行超聲無損檢測(cè)。試樣制備過程中，需要注意試樣厚度是否均勻、尺寸是否準(zhǔn)確，以及形位公差是否滿足圖紙要求等，這是確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素之一。（2）在選擇實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)上，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)多的特點(diǎn)，確定了一個(gè)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)作為實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，這里選擇GB/T 5258-2008纖維增強(qiáng)塑料面內(nèi)壓縮性能試驗(yàn)方法，該標(biāo)準(zhǔn)包含復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)通用全部三種加載方式（剪切加載、端部加載和聯(lián)合加載）和試驗(yàn)方法。原來壓縮實(shí)驗(yàn)采用的是ASTM D695標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)只是采用端部加載的方式。通過此環(huán)節(jié)既規(guī)范了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方法，又拓寬了知識(shí)面。（3）在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上，主要考慮現(xiàn)有的萬能材料試驗(yàn)機(jī)主要應(yīng)用于金屬材料力學(xué)性能測(cè)試，載荷大、夾具少，不太適合復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)。因此，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，必須使用專用復(fù)合材料夾具。實(shí)驗(yàn)過程中，要注意三點(diǎn)：①合適試樣夾緊力（用扭力扳手控制試樣加載的夾緊力）;②確保試樣對(duì)中（確保設(shè)備加載壓力作用線與試樣軸線重合）;③合適加載速度（在應(yīng)變計(jì)算范圍內(nèi)加載速度不要快）。這三個(gè)注意點(diǎn)是確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的關(guān)鍵因素之二。

3.改進(jìn)實(shí)驗(yàn)考核內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)考核分為兩個(gè)部分：課內(nèi)與課后。課內(nèi)主要考核學(xué)生實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力;課后主要考核學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力。實(shí)驗(yàn)成績(jī)不僅僅看實(shí)驗(yàn)報(bào)告，同時(shí)還包括項(xiàng)目研究的成績(jī)。

四、結(jié)論

本文針對(duì)復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題進(jìn)行了分析與研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料壓縮性能試驗(yàn)的現(xiàn)狀與自身教學(xué)實(shí)踐，探索性地給出了復(fù)合材料力學(xué)壓縮性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中問題的解決方法，并通過自身實(shí)驗(yàn)教學(xué)驗(yàn)證，取得了比較好的效果。

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