缝纫复合材料层合板力学性能研究

马元春

（中航工业复合材料技术中心，北京 101300；中航复合材料有限责任公司，北京 101300）

缝纫复合材料层合板力学性能研究

马元春

（中航工业复合材料技术中心，北京 101300；中航复合材料有限责任公司，北京 101300）

缝纫作为一种有效的复合材料层间增强方式，已经被应用于工程中。文献[1]提出了测量缝纫单层板的工程常数，然后利用层合板理论来计算缝纫板力学性能的工程应用理论（以下简称“工程应用理论”）；文献[2]更是将这一假设应用到缝纫泡沫夹层板的计算当中。以缝纫复合材料层合板为研究对象，讨论了不同厚度、铺层比例对其力学性能的影响，验证缝纫复合材料层合板工程应用理论，为结构的工程应用奠定基础。

缝纫；复合材料；工程理论；力学性能

本文将通过试验验证这种工程应用理论，同时研究铺层比例、试件厚度变化对缝纫件力学性能的影响。

1 理论分析

1.1 刚度分析

对于层合板来说，其合力和合力矩用矩阵可以表达为：

式（1）中：ε0为层合板中面应变列阵；k为层合板曲率列阵。对于只受面内力作用的层合板，式（1）可以简化为：

由式（3）可以得出应变—应力关系表达式：

对于对称层合板来说，若铺层角度相同，各铺层角度所占的铺层比例也相同，则不管板的厚度如何变化，将是常数，因此由式（4）（5）可知，工程常数Ex，Ey，vxy，Gxy也将不随板厚变化。若缝纫板的工程应用理论成立，其刚度和工程常数必然得符合这一规律。

1.2 强度分析

由1.1分析和公式（3）可知，若对称层合板的铺层角度相同，各铺层角度所占的铺层比例也相同，则不管板的厚度如何变化，强度σx，σy，τxy将不随板厚变化。若缝纫板的工程应用理论成立，其强度也必然得符合这一规律。

2 试验

2.1 试验件

本文所研究的复合材料体系为T300/QY9512国产复合材料体系，采用RFI方法成型。缝合方法为通厚缝合，缝纫线为400旦（Denier）Kevlar29纤维，平行于铺层0°方向缝合，缝纫针距3mm，行距5mm。试件全部采用对称均衡铺层，具体试验类型、试验数量、试件状态和铺层比例见表1.铺层比例是指组成试件的0°、±45°、90°铺层所占的百分比。

表1 试样类型及铺层方式

2.2 试验过程

所有力学性能试验均在INSTRON1195万能试验机上进行，试验类型为拉伸、压缩、面内剪切和层间剪切。根据相应的标准采用位移控制方式进行加载，直至试验件破坏。应变数据的采集使用WJ-2型电阻应变仪。试验环境温度（23±2）℃，相对湿度（50±5）%.

2.3 试验结果与分析

由表2、表3可以看出，对于A类铺层试件，其拉伸强度、面内剪切强度、面内剪切模量随厚度的增加而增加，而拉伸模量、泊松比、压缩强度、压缩模量、层间剪切强度随厚度的增加先增加后降低；对于B类铺层试件，除泊松比外，其余测得的力学性能值均随厚度的增加而增加。

*偏差百分比

表2 A类试件力学性能测试结果

对于A，B两类铺层试件，厚度变化对力学性能都有较大的影响。除个别值（A类铺层试件的拉伸模量）外，厚度变化引起的力学性能偏差百分比均大于等于10%.其中，A类铺层试件的拉伸强度、压缩强度和面内剪切模量的偏差百分比分别达到了20.7%，40.0%，33.1%；而B类铺层试件的泊松比、压缩模量和层间剪切强度的偏差百分比分别达到了42.1%，28.5%，25.7%.

针对拉伸和压缩2种测试方法，研究铺层角度及比例变化对其力学性能的影响。A类铺层0°、±45°、90°的铺层比例为35%，55%，10%，B类铺层0°、±45°、90°的铺层比例为45%，45%，10%，等厚度情况下，B类铺层试件的拉伸强度均比A类铺层试件高100MPa左右，而拉伸模量均高10GPa左右。由此可知，拉伸力学性能主要由0°铺层所决定，0°铺层比例越高，拉伸力学性能越好。

表3 B类试件力学性能测试结果

在厚度为3.2mm时，B类铺层试件的压缩强度比A类铺层试件高177.55MPa，而当厚度为6.4mm时，B类铺层试件的压缩强度却比A类铺层试件低10.92MPa。在厚度为3.2mm时，B类铺层试件的压缩模量比A类铺层试件高出3.61GPa，当厚度为9.6mm时，B类铺层试件的压缩模量却比A类铺层试件高15.15GPa。由此可知，压缩力学性能并不完全由0°铺层所决定，它是一个综合作用的结果。

3 验证工程假设理论的适用性

文献[3]认为缝纫复合材料制件的泊松比不满足层合板的转轴关系，即不满足层合板理论。从本文前面的理论分析和第2节所述，包括泊松比在内，缝纫复合材料制件的大部分力学性能值均随试件厚度变化，而且有些变化非常显著，比如泊松比、压缩模量、面内剪切模量等。如果采用工程假设理论来计算这些力学性能，将带来一定的偏差，因此，若采用工程假设理论，必须作相应的修正。

4 结论

铺层角度、铺层比例、试件厚度变化对缝纫复合材料制件的力学性能均有影响，对其中一些性能值影响较大。对于缝纫复合材料制件的一些力学性能来说，使用层合板的工程应用理论需进行修正。

［1］孟凡颢.用DPS模型预测缝合复合材料弹性常数［J］.飞机设计，2004（3）：17-20.

［2］黄涛，矫桂琼.缝纫夹层泡沫复合材料刚度特性的研究［C］//全国复合材料学术会议，2004.

［3］程小全，赵龙，张怡宁.缝合复合材料可用性——简单层合板的基本性能［J］.北京航空航天大学学报，2003，29（11）：1001-1005.

〔编辑：刘晓芳〕

TB332

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.17.077

2095－6835（2017）17－0077－02

马元春（1973—），男，高工，研究方向为复合材料结构与强度。