缝合编织复合材料开孔前后剪切性能及破坏模式的研究

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由于具有成本低、生产效率高等优点,缝合编织复合材料将成为军工、航空航天、汽车、体育用品等领域的重要材料。在实际应用中其不可避免的需要开孔与其他构件进行螺栓或铆固连接。在设计时,其剪切性能是设计师们考虑的重要因素,但是在国内外对于缝合编织复合材料剪切性能的研究很少。本文采用短梁剪切试验方法,主要研究了缝合三维四向编织复合材料机械开孔前后的剪切性能并利用体视显微镜Nikon SMZ 745T观察其内部纵向截面上的裂纹扩展情况,分析其剪切破坏模式。  文中首先对比了0°(以试样长度方向为0°方向)、90°缝合和未缝合复合材料的剪切性能。通过实验得知,三者在剪切实验过程中所承受的最大剪切应力相差不大,但是90°缝合单位厚度试样吸收的能量比0°缝合试样高17.6%,比未缝合试样高33.3%。故,在之后的实验中采用90°缝合方式。  然后通过奇数层薄片缝合、偶数层薄片缝合与偶数层厚片缝合编织复合材料剪切性能及破坏模式的对比,分析了不同编织物层数、不同编织物厚度对缝合编织复合材料剪切强度、试样破坏时吸收能量的影响。通过剪切实验可知,偶数层厚片缝合试样所受的最大剪切应力及单位厚度试样吸收的能量最大,奇数层薄片缝合试样次之,偶数层薄片缝合试样最小。观察试样的裂纹扩展情况发现,在试样的受压面裂纹均呈“H”形,在试样侧面及距试样边缘2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、15mm处的纵向截面上裂纹多沿纤维方向扩展,只有在偶数层厚片缝合试样的纵向截面显示片与片之问的裂纹沿试样长度方向扩展,说明其内部两厚片之间发生分层现象,而其他两种试样中并没有此现象发生。  本文重点研究了缝合与未缝合编织复合材料开孔后的剪切性能及破坏模式。试样开孔后,将试样在中间位置纵向切开,发现在孔周围有较短的裂纹出现,但是裂纹并没有沿试样长度方向扩展。剪切实验过程中,未缝合编织试样开孔后所承受的最大剪切应力比开孔前降低了约11%,而缝合编织开孔试样所承受的最大剪切应力比缝合编织未开孔小11.7%。两者的降低幅度均小于径宽比1/5,这说明编织复合材料的剪切性能对机械开孔不敏感。就剪切破坏模式而言,在未缝合开孔试样的纵向截面上存在大量裂纹,且裂纹出现跨层延伸,这表明其内部片与片之间存在分层破坏。而缝合编织复合材料纵向截面上的裂纹数量明显少于未缝合编织复合材料,且没有分层破坏发生。该结果证明缝合使得试样的整体性能增加,增加了其被破坏的难度。
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