层合板复合材料的层间剪切强度评价方法及其改进研究

      针对国际上目前主要使用的双切口拉伸／压缩式层间剪切试验方法存在的问题，吸收了拉伸与压缩式试验方法各自的优点，对试验夹具及试验片形状与尺寸进行了改进设计，提出了双切口开孔拉伸式新的层间剪切强度测试、评价方法。以玻璃纤维平纹织物／环氧树脂复合材料层合板为试验材料对改进后的试验方法进行了实验及有限元分析。实验发现表观层间剪切强度随槽间距的减小而有增大的趋势。通过有限元分析，对实验结果进行了解释，并确立了可获得真实层剪切强度的最佳试验片尺寸。

      玻璃纤维增强树脂基复合材料以其轻质、耐腐蚀及优越的成型性等特点，已作为结构材料及功能材料广泛用于各个领域。其中，采用织物增强的复合材料层合板，由于其几何形状比较稳定，与单向纤维增强的层合板相比，其力学平衡性较好，面内异向性较小，且面内剪切强度较高。此外，它还具有加工简单，制造成本低等优点，显示出很好的应用前景。但层合板的层间剪切强度较低，是设计中必须注意的问题。因此，层间剪切强度的测试与评价，对于合理设计层合板，提高其层间剪切强度，扩大其应用范围和确保其使用安全性是非常重要的课题。

       关于层合板层间剪切强度的评价方法，虽然已有数种方法用于层间剪切强度的测试，但都存在一定的问题。在测试断面上能产生均匀分布的纯剪切应力的试验方法至今还没有确立。设计者可利用的材料数据很少，问题还很多。双切口拉伸／压缩式层间剪切试验法，由于其夹具尺寸小、结构简单，且易于产生层间剪切破坏，实验成功率较高，省时省料。因此，普遍认为是用于测定复合材料层合板层间剪切强度的有效试验方法。但是，采用双切口拉伸剪切法测定复合材料层合板的层间剪切强度时，试验片两端由夹具握持，若夹持力太大，容易将试验片夹碎；若减小夹持力，夹头与试验片之间容易打滑，且夹持拉伸会在剪切面上产生弯曲力矩，使试验片提前发生破坏，测得的层间剪切强度值偏小。采用双切口压缩剪切法测定复合材料层合板的层间剪切强度时，需在试验片两侧设置挡片用以控制和减小弯曲。当侧挡片压力较小时，弯曲力矩的影响难以消除；当侧挡片压力较大时又增加了试验片与侧挡片的摩擦，使得用压缩剪切法测得的层间剪切强度比用拉伸剪切法测得的实验结果偏大，并且实验中夹具与剪切面难以保持中心对齐。因此，两种加载方式均难以得到材料的真实数据，只能测得表观层间剪切强度。

       本文针对双切口剪切试验存在的问题对加载方式及试验片形状与尺寸进行了改进设计，并通过试验片应力分布的有限元计算对试验片尺寸进行了优化设计，使剪切面上的剪切应力分布尽量趋于均匀，并力求获得纯剪切应力，减小夹具本身带来的影响，以确定获得材料真实层间剪切强度的评价方法。为正确设计复合材料层合板，保证其使用质量和安全性提供理论依据和测试评价方法。

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