一种用于材料力学实验教学的复合材料实验

徐香新

摘 要：为丰富材料力学实验教学内容，现提出一种可用于材料力学实验教学的复合材料实验。该复合材料以橡胶材料为基体，以聚氨酯材料为增强体，通过物理嵌入的方法結合而成。实验当中通过诸项合理的假设，将复合材料力学问题简化为普通的材料力学问题。实验过程中，学生需对复合材料试件进行单向加载，进而测定复合材料的弹性模量。该实验项目可以帮助学生开拓视野，增加学生的动手能力，并在制作复合材料试件过程中提高实验人员的业务能力。

关键词：材料力学实验 实验教学 复合材料

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）08（c）-0164-02

Abstract：In order to enrich the experimental teaching content of material mechanics， a composite material experiment is put forward， which can be used in the experiment teaching of material mechanics. Composite material is made of rubber material as matrix and polyurethane material as the reinforcing material. Through many reasonable hypotheses， the mechanical problems of composite materials are simplified to ordinary materials. By single loading and measuring the elastic modulus of composite materials， it can help students develop their vision， study theory knowledge， increase practical ability of students and can improve the operational capability of the experimental personnel in the process of making composite materials.

Key Words： Material mechanics experiment； The teaching of experiment； Composite material

在现阶段的高等教育中，高校不应该仅仅重视理论教学，更应该重视培养学生的实践能力和综合素质。材料力学实验课程不仅可以训练学生的动手能力，更能增强学生的思维训练。目前材料力学实验课程内容相对传统，虽然有部分实验内容经久不衰，但为了能更好的帮助学生提高实验技能，有必要对材料力学实验课程内容进行创新[1-4]。针对学生对非金属复合材料力学性能认识不足这一情况，设计了一种新型的复合材料实验。希望该实验可以丰富学生的理论知识，提高学生的实验技巧。

1 实验设计

一般来说复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。复合材料中的多种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料[5-6]。工程中常用的复合材料可以看成由基体和增强体两类介质组成的材料。

复合材料实验试件设计[7]过程中，基体成分选用具有高弹性能的橡胶材料[8-9]，增强体成分选用弹性模量更高的聚氨酯材料[10-11]。基体成分加工成长方体橡胶块，并在橡胶块上钻通孔，保证孔径大小一致，且均布分布在长方体橡胶块上。增强体加工成圆柱体，保证圆柱体的直径与橡胶中孔径大小一致，圆柱体的高度与长方体橡胶块的高度一致。将加工好的增强体嵌入到基体的通孔中，以橡胶材料为基体、聚氨脂材料为增强体的单向纤维复合材料力学模型制作完成。

为了使实验数据具有可比较性，制作过程中，制作了两种嵌入不同数量增强体的复合材料，两种复合材料分别嵌入了4根增强体和8根增强体，简称为4根试件和8根试件。两种试件的示意图如图1所示。

2 实验原理

2.1 实验值分析

实验过程中，通过压缩试件，测量其在增强体轴线方向的变形量，来确定复合材料的弹性模量。为了使复合材料的弹性模量可以用材料力学的方法来测定，还需基于复合材料力学分析中的如下假设[12-15]：复合材料中组分材料弹性模量比较接近；且组分材料为均质、线弹性和各项同性；增强体在基体中均匀分布；复合材料单向受力且处于小变形状态等。

根据胡克定律，材料在增强体轴线方向上弹性模量E 的实验值为：

3-1

式中：P为沿增强体轴线方向对试件施加的载荷；

L为试件在增强体轴线方向的高度；

为试件在增强体轴线方向的变形量；

A为试件的横截面积。

由于实验试件的加载面积以及增强体轴线方向的高度已知，学生在实验过程中，仅需记录实验试件加载时试件所受的载荷以及试件在增强体方向上对应产生的变形量，即可计算复合材料弹性模量的实验值。

2.2 理论值分析

当复合材料试件沿增强体轴线方向受压时，其增强体和基体沿该方向产生的应力和分别为：

3-2

3-3

式中：为增强体材料的弹性模量；

为基体材料的弹性模量；

为试件在增强体轴线方向的应变；

可将复合材料所受的压力分解成两个部分，并由基体和增强体分别承担，则有：endprint

3-4

式中：σ为复合材料受压时所受的应力；

σf為增强体材料受压时所受的应力；

Af为增强体材料的截面面积；

σm为基体材料受压时所受的应力；

σm为基体材料的截面面积；

将式3-2和3-3式代入3-4式，得

3-5

当两种组分材料的弹性模量和相关尺寸确定以后，可根据3-5式确定复合材料在该方向上弹性模量E的理论值。

实验结果表明两种复合材料试件弹性模量的实验值和理论值有非常良好的一致性，从而证明实验设计的科学性与合理性。

3 结语

本实验作为一种新型的复合材料力学实验，丰富了材料力学实验教学内容，有一定的创新性。实验过程当中，让学生初步了解复合材料的组成及基本结构形式，帮助学生开拓视野，增强学生的学习兴趣。

本实验项目，通过合理的假设，将复杂问题进行简化求解，帮助学生进一步熟悉和掌握材料力学实验的基本原理和基本方法，起到督促学生重视理论学习与增强动手能力的作用。同时在复合材料试件制作过程当中，可以增强实验人员的业务能力。

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