摘 要

由于碳纤维在应用中大多都有连接的需要，所以UACS开孔层合板的强度研究对于碳纤维在实际生活中的应用有着极为深远的影响。为了探究双斜角切口的短纤维增强复合材料UACS层合板开孔后的力学性能，对双斜角切口的UACS开孔层合板和未开孔的UACS层合板分别进行拉伸测试，实验过程中使用DIC设备进行拍摄并使用MatchID—2D软件进行相应的后处理，得到层合板拉伸时的应力云图和相应的应力应变曲线。实验结果表明， UACS开孔层合板的强度比未开孔的UACS层合板的强度下降了19.4%，拉伸后的损伤区域主要集中在开孔附近垂直于纤维的方向，且在孔边会有极高的应力集中现象。虽然实验试样在开孔尺寸上有一定的差异，但强度与模拟结果基本符合。

关键词：双斜角切口 UACS层合板 拉伸强度 开孔板

Experimental analysis of tensile strength of the new short fiber reinforced UACS composite laminates

ABSTRACT

Carbon fiber structures need to connect with other things, so it is of great significance for open-hole strength research of UACS laminates. To explore the mechanical properties of the UACS composite laminates with bi-angled slits after notching, experimental research is carried out for the tensile test with the notched UACS composite laminates with bi-angled slits and the unnotched UACS laminates. In the process of the experiment. During the experiment, DIC equipment was used for recording and MatchID-2D software was used for post-processing to get the stress cloud-pictures and corresponding stress-strain curves of the UACS laminates in tensile tests. The experimental results show that the strength of UACS laminates with an open hole is 19.4% lower than that of unnotched UACS laminates. After the tensile test, the damage area is mainly concentrated in the direction perpendicular to the fiber near the open hole, and there will be extremely high stress concentration around the hole. Although there are some differences in the size of the open hole, the strength is basically in accordance with the simulation results.

Key Words: Bi-angle slits; UACS laminates; Tension strength; Notched laminates

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 引言 1

第二章 UACS层合板介绍 5

第三章 实验方法 9

3.1模压制板 9

3.2切割试样 11

3.3钻孔 11

3.4加强片处理与粘贴加强片 12

3.5拉伸试验 13

第四章 结果与讨论 15

4.1损伤过程分析 15

4.2实验结果与模拟结果对比 19

4.3经济性分析 21

参考文献 23

致 谢 26

第一章 引言

纤维增强复合材料是由增强纤维与基体材料经过各类成型工艺而制成的复合材料。因为纤维增强复合材料具有密度小，强度较大且刚度大的特点，使得该种材料正在逐步替代传统的金属材料而广泛应用于汽车结构、航空航天等领域[1]。

碳纤维是一种以碳元素为主的特种纤维，他的含碳量随品类的不同而异，通常含碳量均在90％以上。碳纤维具有很多优点，如密度低，刚度高，强度较高的优点以及优良的热物理性质，所以世界各国都十分重视碳纤维的发展。按照纤维类型，纤维增强复合材料可分为连续纤维增强复合材料和短纤维增强复合材料。短纤维复合材料是将长纤维或纤维束切断分散于基体中制成的复合材料，强度、刚度高于基体材料，适合于模压成形，制成外形复杂的构件。其中，短切碳纤维是由连续碳纤维经过机械切割而制成的产品，通常其以毫米作为长度单位，基本性能主要取决于连续碳纤维的性能。短切碳纤维有质量轻、密度小、模量高、导电性好、屏蔽性能好等优点，故制作成本更高，目前主要应用于军工、航空航天等高科技领域。

碳纤维是复合材料中最常用同时也是最重要的一种增强体，基体材料通过与碳纤维进行混合后，可以制成碳纤维增强复合材料（CFRP）。由于燃料价格的快速上涨和全球对清洁空气环境的要求日益提高以及轻量化技术的日渐成熟，越来越多的研究人员和制造商开始关注CFRP在大规模的汽车和飞机等大型机械的生产中的应用。另一方面，因为汽车的结构部件相对较小且几何形状更复杂，使得CFRP在汽车中的应用与在飞机中的应用相比有着不同的要求。因为CFRP预浸料沿纤维方向的流动性差，所以相比之下，将这种CFRP应用于具有各种复杂几何形状的汽车结构部件上并不是那么简单。因此，短碳纤维增强塑料目前主要通过注塑和与片状模塑料（SMC）压缩成型相结合的方法而广泛用于汽车结构部件上。因为SMC含有相对较高的纤维体积分数并具有优异的流动性，所以该种材料为复合材料部件提供了比单纯的注塑成型更好的机械性能。但是，与纤维体积分数接近60%的CFRP相比，纤维体积分数相对较低（约40％）的SMC复合材料的刚度和强度相对较低。这些缺陷限制了SMC在汽车中的应用，故短碳纤维增强材料被更多的应用于需要更高刚度和强度的场合中。然而，无论应用于哪些场合，复合材料几乎都需要与其它的部件进行连接，而连接又使得复合材料构件上势必会存在开孔，众所周知，开孔会影响到复合材料的力学性能，因此需要对复合材料开孔结构的力学性能进行研究。

国内外学者对于复合材料层合板的开孔结构曾做了一些研究，其中,黎增山等人建立了复合材料层合板在开孔拉伸作用下的逐渐损伤分析模型，能够模拟拉伸过程中发生损伤直到完全失效的过程[2]；鲍宏琛和刘广彦通过对比实验结果和模拟结果发现，改变准各向同性复合材料层合板的铺层顺序不仅会对破坏强度产生影响，同时也会对层合板失效模式产生影响[3]；刘等人利用内聚力接触模拟了双切口准各向同性层合板拉伸后的开裂和分层[4]；Chang等人提出了切口层合板在拉伸载荷作用下的渐进损伤模型，用于预测其拉伸载荷下的损伤，这些研究为预测开孔层合板的强度和失效模式打下了基础[5][6]；F.Pierron研究了拉伸载荷作用下开孔复合材料层合板的损伤分析[7][8]；西北工业大学的叶聪杰等人研究了铺层厚度不同的含有双向布的三种中心开孔复合材料层合板的拉伸性能[9]；Hallett S R等人对于铺层方向不同的开孔复合材料层合板进行了拉伸试验，结果表明，在单层厚度不变，仅铺层方式不相同的情况下，试件的强度及断裂模式没有显著差异[10][11]。西北工业大学的张进、王丹、张卫红三人提出一种通用复合材料曲面上孔形优化新方法，采用参数映射方法进行曲面结构上的孔形优化，选取孔周曲线上的失效函数值作为优化设计目标，比较了椭圆函数描述孔形时Mises、Tsai-Hill及Tsai-Wu三种失效准则、三种不同材料体系对优化结果的影响，如图所示，最后给出了样条函数描述孔形的算例[12]。但总而言之，复合材料层合板上的开孔直径越小，其可承受的拉伸载荷就越大，反之则越小。且复合材料层合板上的开孔形状越趋近于圆形，其可承受的拉伸载荷也越大。

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