玻纤增强材料的二维力学性能测试与分析

张 亮 杜砚文

1.泛亚汽车技术中心有限公司， 上海 201201；2.上海关点质量检测技术服务有限公司，上海 201319

2017-07-14

张亮，男，1982年生，工程师，主要从事车身外饰及底盘动力总成集成系统中有关非金属材料的工作

杜砚文，E-mail： kevin.du@keytcs.com

玻纤增强材料的二维力学性能测试与分析

张 亮1杜砚文2

1.泛亚汽车技术中心有限公司， 上海 201201；2.上海关点质量检测技术服务有限公司，上海 201319

开发一种用于玻纤增强材料各向异性测试的取样方法，测试玻纤增强材料的二维力学性能并分析其在不同温度下的分布规律，导出玻纤增强材料各个方向的真应力-应变曲线，为CAE模拟提供更好的数据源，从而推导出玻纤增强材料的本构方程。

玻纤， 增强材料， 力学性能， 本构方程

CAE模拟作为一种综合应用计算力学、计算数学、信息科学等学科的工程技术，对提高产品的性能和质量有着举足轻重的作用，是工程技术人员进行创新研究和设计的重要工具和手段[1-2]。随着CAE模拟越来越广泛地应用于汽车、航空航天、机械、材料等领域[3-8]，对数据的准确性和有效性的要求越来越高[9-10]。为了使CAE模拟更好地应用于实际，需要提供较好的数据。然而，现有的数据大多是在材料各向同性的基础上得出的，各向异性材料的数据也多为单一的力学性能数据，未针对各向异性给出力学性能分布[11-12]，这严重影响到模拟的有效性。因此，CAE模拟得到的模塑制件性能和实际模塑产品性能存在较大偏差，匹配度低[13-14]。随着产品开发过程中对功能材料的需求越来越大，大量的玻纤和碳纤维增强材料由于其易加工、密度低而被用来替代金属，减轻质量。获得这方面有效、准确的数据，对CAE模拟具有非常重要的意义[15-17]。

1 试验

本试验首先对玻纤填充材料的玻纤分布情况进行观察，选定一种PA66+玻纤(质量分数35%)增强材料为试验材料。利用注塑成型法制备一定尺寸的样板，再根据不同裁样角度裁切拉伸、压缩等试验所需要的试样，然后在不同温度下进行测试。

1.1试样制备

通过注塑成型工艺加工出尺寸为200 mm×150 mm× 4 mm 的样板，然后利用数控加工设备，根据ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”和ISO 604：2002“Plastics—Determination of Compressive Properties”的规定，分别裁切出5个裁样角度即0°、30°、45°、60°、90°(注塑流动方向为0°，顺时针方向)的拉伸、压缩试样各5种，再用1000目的砂纸将试样上的毛边磨去即可。

1.2测试方法

各指标的测试均依据有关的ISO标准进行：

(1) 拉伸模量：ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”，速度采用5 mm/min；

(2) 拉伸强度：ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”，速度采用50 mm/min；

(3) 泊松比：ISO 527-1/2：2012“Plastics—Determination of Tensile Properties”，速度采用5 mm/min

(3) 压缩强度：ISO 604：2002“Plastics—Determination of Compressive Properties”，试样规格50 mm× 10 mm×4 mm，速度采用1 mm/min；

(4) 压缩模量：ISO 604：2002“Plastics—Determination of Compressive Properties”，试样规格10 mm× 10 mm×4 mm，速度采用1 mm/min。

测试温度：-40、 -30、 -20、 23、 85、 110、 130 ℃；其中，-30、 23、 85 ℃温度下进行5种试样的测试，-40、 -20、 110、 130 ℃温度下仅进行0°、 45°、 90° 3种试样的测试。压缩试验仅在-30、 23、 85 ℃温度下进行。

预处理时间： 6 h。

应变采集方式：一种是通过设备自带的延伸计采集，另一种是通过外接的压电应变片采集(图1)。

2 测试结果与分析

2.1拉伸强度

试样的拉伸强度测试结果见图2，可以得出：

(1) 各测试温度下，0°试样的拉伸强度均最大；

(2) 对于同一种试样，其拉伸强度随测试温度升高逐步减小，但在-20 ℃以下和85 ℃以上时变化均不明显；

(3) 在-20～110 ℃的测试温度范围内，试样的拉伸强度与测试温度基本成线性相关；

(4) 相同测试温度下，试样的拉伸强度和裁样角度之间存在一定的算数关系，通过拟合得到二次项方程：

低温-30 ℃：

F(σ)=67.770(sinα)2-131.790(sinα)+σ0°

常温23 ℃：

F(σ)=10.470(sinα)2-58.200(sinα)+σ0°

高温85 ℃：

F(σ)=9.852(sinα)2-39.935(sinα)+σ0°

图2 试样的拉伸强度测试结果

2.2拉伸模量

试样的拉伸模量测试结果见图3，可以看出：

图3 试样的拉伸模量测试结果

(1) 各测试温度下，0°试样的拉伸模量均最大；

(2) 对于同一种试样，其拉伸模量随着测试温度的升高逐渐降低；

(3) 5种试样中，60°试样的拉伸模量在-30 ℃和85 ℃温度下都是最低的；

(4) 0°、 45°、 90°试样的拉伸模量之间的差异随着测试温度升高而缩小。

2.3泊松比

试样的泊松比测试结果见表1，可以看出：

(1) 对于同一种试样，其泊松比随测试温度升高而增大；

(2) 相同测试温度下，试样的泊松比随裁样角度增大表现出先增后降的趋势，裁样角度30°或45°时达到最大(30°和45°试样的泊松比差异很小)，90°时试样的泊松比最小。

表1 试样的泊松比测试结果

2.4压缩强度和压缩模量

试样的压缩强度和压缩模量测试结果见表2，可以看出：

(1) 测试温度为23 ℃时，5种试样的压缩强度随裁样角度增大而逐渐减小，至裁样角度为60°时试样的压缩强度达到最低，90°试样的压缩强度变化趋势和拉伸强度相似；

(2) 对于同一种试样，其压缩强度随测试温度升高而下降；

表2 试样的压缩强度和压缩模量测试结果

(3) 试样的压缩模量的变化规律不明显，-30 ℃ 和85 ℃温度下，60°试样的压缩模量最低，这和拉伸模量的表现相似。

2.5应力-应变曲线

图4所示为-30、 23、 85 ℃温度下各试样的应力-应变曲线，可以看出：

(1) 测试温度为-30 ℃时，试样的断裂延伸率最低，说明试样在低温下表现出比较脆的性能；

(2) 测试温度为23 ℃时，5种试样中，0°试样的断裂延伸率最大，说明它的树脂和玻纤分布一致，韧性较大；

(3) 测试温度为85 ℃时，试样的断裂延伸率最大且曲线平滑，说明试样在高温下表现出韧性。

图4 -30、 23、 85 ℃温度下各试样的应力-应变曲线

图5所示为各测试温度下0°、 45°、 90°试样的应力-应变曲线，可以看出：

(1) 对于同一种试样，其应力-应变曲线的斜率随测试温度升高而减小，即测试温度越高，试样的断裂延伸率越大；

(2) 相同测试温度下，45°试样的断裂延伸率相对较大。

2.6真应力-应变曲线的推导

试样的拉伸试验受力如图6所示。

图5 各测试温度下0°、 45°、 90°试样的应力-应变曲线

图6 试样拉伸试验受力示意

(1) 试验速度(v)：试验过程中试验机上的夹具分离速度，以“mm/min”为单位。

(2) 拉伸应力(σ)：在任何给定时刻，试样原始标距长度内单位横截面积所受的拉伸负荷，以“MPa”为单位。

(3) 拉伸应变(ε)：试样原始标距长度的增量，用无量纲的比值或百分比(%)表示，适用于屈服点以前的应变。

(4) 泊松比(μ)：在试样纵向应变对法向应变关系曲线的起始线性部分，垂直于拉伸方向的应变εn与拉伸方向的应变ε之比的负值，用无量纲的比值表示。

其中：l平为试样平行段距离。

(6) 真应力(σT)：通过测量瞬间负荷(F)和截面积(A)并计算得到的应力。

① 由于A0l0=Al，所以

(7) 真应变(εT)：相对伸长与瞬时标距长度之比值的百分数。

(8) 真塑性应变(εTp)：

其中：εe为应变中的弹性部分(此公式基于εe≪1，因此没必要计算真弹性应变)。

图7所示为-30、 23、 85 ℃温度下试样的应力- 应变曲线和真应力-应变曲线(图中ESS表示应力-应变曲线，TESS表示真应力-应变曲线)，可以看

图7 -30、 23、 85 ℃温度下试样的真应力-应变曲线

出在模量段(应变为0.05%～0.25%)，ESS和TESS基本重合，根据上述计算过程分析，说明在模量段泊松比对真应力-应变计算的影响很小。

为了得到-30、 23、 85 ℃温度下试样的损伤判据，测试0°试样的剪切模量，结果见表3。

表3 -30、 23、 85 ℃温度下0°试样的剪切模量

推导-30、 23、 85 ℃温度下材料的本构方程：

提出试样的应力-应变曲线模型：

(1)

式(2)为测试条件下(拉伸速度5 mm/min)的应力-应变关系式，

(2)

其中：a、b、c为待求参数；σ0为测试条件下的屈服强度；ε0为测试条件下的屈服强度对应的应变。

σ0为零塑性应变时的应力，可通过计算应力-应变曲线的线性区域的斜率得到。

由式(2)推导得出本构方程中的两个参数值(表4)。

表4 本构方程中的两个参数值

3 结论

在不同测试温度下，对不同裁样角度的PA66+玻纤(质量分数35%)增强材料进行力学性能测试，得出：

(1) 试样的最大拉伸强度和最大拉伸模量不受测试温度的影响，裁样角度为0°的试样的拉伸强度和拉伸模量均最大，即拉伸性能最佳；

(2) 对于同一种试样，其拉伸强度和拉伸模量都随测试温度升高而逐步降低，泊松比则随着测试温度升高而增大，拉伸模量在高温(85 ℃)或大裁样角度(60°)以上时基本不再改变；

(3) 在测试温度保持不变的情况下，试样的拉伸强度与裁样角度之间满足二次项方程：

低温(-30 ℃)：

F(σ)=67.770(sinα)2-131.790(sinα)+σ0°

常温(23 ℃)

F(σ)=10.470(sinα)2-58.200(sinα)+σ0°

高温(85 ℃)：

F(σ)=9.852(sinα)2-39.935(sinα)+σ0°

根据试样在不同测试温度下的力学性能，导出了低温(-30 ℃)、常温(23 ℃)、高温(85 ℃)3种测试温度下的真应力-应变曲线，这为CAE模拟提供了较为有效和准确的数据源，进而推导出试样本构方程的相关参数。

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Testing and analyzing on the two-dimensional mechanical properties of glass fiber reinforced materials

ZhangLiang1，DuKevin2

1. Pan-Asia Technical Automotive Center Company，Shanghai 201201， China；2. Key Point Quality Inspection Technology Service Co.， Ltd.， Shanghai 201319，China

A sampling method for testing the anisotropic properties of glass fiber reinforced materials was developed， the two dimensional mechanical properties of the glass fiber reinforced materials were tested， and the distribution of the mechanical properties at different temperatures were analyzed. The real stress-strain curves of each direction of the glass fiber reinforced materials were derived to provide a better data source for CAE modeling， and thus the constitutive equation of the glass fiber reinforced materials was derived.

glass fiber， reinforced material， mechanical property， constitutive equation

TB302.3

A

1004-7093(2017)08-0032-07