复合角结构的失效第一部分：初始失效外文翻译资料

复合角结构的失效第一部分：初始失效

摘要：对复合角结构的实验研究以及数据分析，主要是使用Hill屈服准则和经过进一步完善的蔡-希尔强度准则。通常来说，存在两种可能的失效模式，即，由于弯曲应力引起的初始横向基体破裂以及由于弯曲区域中的贯穿厚度方向的法向应力而导致的最终分层。根据铺层的不同，一些层压材料可能在没有经历横向基体开裂而发生分层的失效。笔者发现对于这种类型的复合结构的失效分析用3-D Hill失效准则是优异的。

引言：在结构应用中，安全使用复合材料需要知道它们的失效机理。由于非均匀性和正交各向异性，复合材料对故障分析者提出了一个复杂的问题。对于层合板的屈服分析有利于对复合材料失效的更加深刻的分析。然而，在实际应用上，由于设计要求，通常需要在承载部件的制造中使用复杂的几何形状。因此，研究具有曲率的层压板的重要性是显而易见的。最近有研究人员对具有弯曲的复合材料结构进行了失效分析。本研究的重点是通过实验和分析详细了解层压复合角失效机理。研究三种不同铺层的结构，旨在隔离不同的失效模式。使用石墨/环氧树脂和玻璃纤维/环氧树脂材料制造测试样品，并且使用有限元法进行分析。在层压板的弯曲区域中，由于分层的发生，试样的弯曲刚度完全消失，导致完全失效。因此，如果初始失效模式是分层，则初始失效也是最终失效。对于一些层合板，初始破坏模式可以是在层合板中的基体破裂。它通常需要额外的负载来迫使基体裂纹扩散成分层裂纹。

图1：试样的几何形状

1、实验方案

1.1 试样的制备

复合角的设计如图1所示。本试样采用了两种不同的材料配方体系。使用Hercules AS4 / 3501-6石墨/环氧树脂和Ferro S-2 / CE9000-9玻璃纤维/环氧树脂预浸料来制造试样。每种材料的主要机械性能在表1中给出。使用人工铺层和热压罐固化工艺制备样品。将预浸料切成单独的0°和90°层，尺寸为12英寸times;6英寸。这些层用于铺设具有3英寸边的12英寸长角板。将角板放置在成角度的不锈钢模具上，从而形成0.18英寸的内半径弯曲。铺层用0.060英寸厚的铝垫板覆盖，然后密封在真空袋只中。将整个构件置于Baron-Blakeslee型BAC-35热压罐中固化成型。一旦固化成型，将固化完全的L型板切成单独的试样。样品切割成1英寸和2英寸宽度。用直径10英寸的，切割边缘的经金刚石浸渍的的旋转刀片进行切割。在切割操作之后，抛光试样的边缘以除去由锯产生的划痕。抛光去除锯痕和其他边缘瑕疵极大地提高了测试期间通过显微镜的损坏的可观察性。它还倾向于通过减少或移除潜在的临界缺陷和故障起始位置来减少失效数据中的分散性。在样品制备的最后步骤中，使用金刚石尖端钻头在样品的一个边中钻出0.25英寸的孔用于附接铰链机构。

表格1 不同复合材料的材料特性

1.2 实验设置和步骤

为了确保实验数据在分析验证中的有用性，加载方式负载在实验装置已经被设计的尽可能与在分析中考虑的相同。测试配置如图2所示。液压式试验机是材料试验机（MTS）型号810。如图所示，样品直接夹在MTS机器的下颚。铰链机构用常规螺母连接到样品的另一边和螺栓紧固件上，并且穿过转移杆和钢角度将试样连接到试验机机的上颚上。

图1.1 弯曲试验装置

表格1.2 铺层方式

通过移动液压活塞施加载荷，并且由重力传感器直接测量。在X-Y绘图仪上记录载荷和位移输出，产生载荷与挠度曲线。负载－挠度曲线用于验证由试验机的内部存储器记录的极限载荷的值。除了简单记录失效数据外，在测试期间进行了失效观察。每次测试期间，使用光学显微镜观察弯曲区域中的样品的边缘。在手动位移控制下施加载荷，以允许在装载期间仔细检查样品。通过这种技术，失效的发生可以被检测到和已经被拍摄记录，同样的观察和拍照最终失效时候试品的状态。使用手动控制载荷也允许随时停止测试，并且从机器中取出，用于X射线研究内部损伤模式。沿试样的边缘施加二 - 碘丁烷，一种不透X射线的渗透剂，并允许浸入内部裂纹中。然后使用Hewlett-Packard型号43855-A，Faxitron系列箱X射线机在Polaroid 52型胶片上制备X射线图像。一旦X射线照射，在试验机中更换试样并重新加载到最终失效。初始破坏载荷是首次观察和记录损伤的载荷，并且记录了初始损伤的失效模式以及最终或总破坏载荷。

2、实验结果

在本次研究中使用了三种不同的铺层方式，具体铺层方式参考表格2。通过铺层的设计，不同的铺层可以突出在L结构中发生的不同的故障模式。 Layup H和J设计用于突出平面失效模式，而Layup I设计用于突出分层失效模式。H试样中的初始破坏模式是在0°层中（在x方向上）的基体破坏。该初始失效，称为径向裂纹，显示在图3中，即Layup H试样的显微镜照片。铺层H材料在负荷增加时进一步显示出以脱层为主的粗破坏，层叠H试样的初始和总破坏载荷在表3中给出。I试样没有显示任何初始径向开裂，它们在脱层模式中直接失效，I试样的破坏载荷在表4中给出。层叠J再次显示出0°层中的初始基体破坏，然后是以分层为主的总破坏，J试样的初始和总破坏载荷示于表5中。在表3和5中，初始破坏载荷是发生第一次径向裂纹的载荷。通常，在连续加载的过程中，结构失效之前会产生几个径向裂纹。

图2.3 显微照相中的H试样的径向裂纹

表格2.3 试样H的失效数据

表格2.4 试样I的失效载荷

表格2.5 试样J的失效载荷

3、数据分析

本实验所研究的复合角结构，如图1所示，具有厚度t和内表面半径a。 它以直角弯曲。层压厚度取决于每层预浸料的层厚度和铺层层数。本研究中使用的数值分析方法在参考文献[1]中给出。 该方法通过将获得的应力与通过均匀各向同性材料的弯曲梁的弹性解获得的应力相比较来验证[3]。

层叠角的横截面通过使用四个节点，等参数，四边形有限元法来建模。建立平行于y-z平面的平面应变状态， 每个层通过其厚度用三个元素建模。使用以下材料常数的假设：

E₃₌E₂

G₂₃=G₁₃=G₁₂

mu;23=mu;13=mu;12

虽然一般G₂₃plusmn;G₁₂和mu;₂₃plusmn;mu;₁₂使用上述假设是合理的，但是弯曲和径向应力对这两个材料常数的值不敏感。

为了方便起见，使用垂直于一条边施加的100lb / in的均

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 13 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[139858]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word