玻璃钢结构力学性能试验研究

周彬?朱炳麟

摘 要：采用5种配合比制作玻璃钢试件作为试验对象，进行拉伸试验和弯曲试验，记录试验中的抗拉强度、中点弯曲挠度和抗弯刚度，研究玻璃钢结构力学性能。结果表明，不同配合比制作的玻璃钢试件抗拉强度和抗弯刚度表现不同，随着玻璃钢材料中聚酯比例的增加，玻璃钢材料密度逐渐增大，玻璃钢结构抗拉强度和抗弯刚度提升;但是，随着拉伸速率和重力载荷数值的增加，玻璃钢结构抗拉强度和抗弯刚度逐渐降低，中点弯曲挠度逐渐增大。玻璃钢结构拉伸力学性能和弯曲力学性能对材料密度和外部受力的依赖性较大，当玻璃钢材料密度为0.492 g/cm3、聚酯材料配比为31.46 kg/m3时，玻璃钢结构抗拉性能最好。

关键词：玻璃钢;力学性能;抗拉强度;中点弯曲挠度;抗弯刚度

中图分类号：TB302.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）34-00-03

Experimental Study on Mechanical Properties of FRP Structures

ZHOU Bin ZHU Binglin

（Shanghai Aerospace Control Technology Institute， Shanghai 201109）

Abstract： FRP specimens were made with five kinds of mixing ratios. As test objects， tensile and bending tests were carried out， and the tensile strength， midpoint bending deflection and bending stiffness in the tests were recorded so as to study the mechanical properties of FRP structures. Results： show that different mixture made of glass fiber reinforced plastic specimen tensile strength and flexural rigidity performance is different， with the increase of polyester proportion in the glass fiber reinforced plastic materials， glass fiber reinforced plastic material density increased gradually， the structure of glass fiber reinforced plastic tensile strength and flexural rigidity to ascend， but with the increase of stretching rate and gravity load numerical， glass fiber reinforced plastic tensile strength and flexural stiffness gradually reduce， the midpoint bending deflection increases gradually. The tensile and flexural mechanical properties of FRP structure have great dependence on material density and external force. When the density of FRP material is 0.492 g/cm3 and the ratio of polyester material is 31.46 kg/m3， the tensile strength of FRP structure is the best.

Keywords： FRP;mechanical properties;tensile strength;midpoint bending deflection;bending stiffness

玻璃鋼属于一种复合纤维工业材料，已经被广泛应用于机器零件和轮船制作等领域[1]。玻璃钢结构复杂程度较高，并且结构的减重问题比较突出，结构纤维比较松散，只能承受拉力，不能承受弯曲和剪切。当承受一定载荷时，结构容易发生变形，因此从理论分析和数值模拟分析上很难准确确定玻璃钢结构的力学特征[2]。玻璃钢是一种新型的复合材料，国内目前对其结构力学性能的研究较少。为了使玻璃钢材料代替钢材广泛应用于各个领域，需要明确其结构的力学性能。通过试验分析玻璃钢结构的力学性能，主要涉及玻璃钢结构的强度和刚度。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验采用的玻璃钢材料为比较常见的聚酯玻璃钢，标号为MH1、MH2、MH3、MH4、MH5，其配合比分别为聚酯26.1 kg/m³、聚酯28.3 kg/m³、聚酯31.5 kg/m³、聚酯33.5 kg/m3和聚酯35.2 kg/m³，玻璃纤维和酚醛树脂含量均相同，分别为156 kg/m³和13 kg/m³。

按照上述配合比制作玻璃钢试件，试件规格为200 mm×200 mm×400 mm，试件相对密度分别为0.264 g/cm³、0.367 g/cm³、0.492 g/cm³、0.569 g/cm³、0.694 g/cm³。

1.2 试验方法

为了更好地分析玻璃钢结构的力学性能，将试验分为拉伸试验和弯曲试验两部分。

拉伸试验主要考察不同材料密度下的结构拉伸力学行为，分析玻璃钢拉伸力学性能对材料密度的依赖效应[3]。试验需要使用的仪器设备为上海OP仪器设备有限公司生产的SDFDS/A5F4拉伸试验机、深圳NKGH公司生产的SHAI/A5S5F显微镜以及天津HSDAJ公司生产的SHIAF/54ADF45AW弯曲试验机。在拉伸试验前，要检查制备的玻璃钢试样尺寸大小是否符合试验要求，外观是否完好，有无裂缝[4]。利用专用夹具将玻璃钢试件固定，将SDFDS/A5F4拉伸试验机的拉伸速率初始值设定为10 mm/min，对玻璃钢试件在常温环境下进行单轴拉伸，拉伸3次，并利用SHAI/A5S5F显微镜对玻璃钢结构进行观察[5]。之后，将SDFDS/A5F4拉伸试验机的拉伸速率依次增加到15 mm/min、20 mm/min、25 mm/min、30 mm/min、35 mm/min、40 mm/min，重复以上试验步骤。

然后，对玻璃钢试件进行弯曲试验。根据变形固结理论，玻璃钢结构的抗弯刚度用载荷及位移表示，玻璃钢结构位移用式（1）表示：

G=wr/2（r+e）u （1）

式中：G为玻璃钢结构位移;w为玻璃钢结构载荷;r为玻璃钢结构弹性模量;a为玻璃钢结构等效抗弯刚度;e为玻璃钢结构等效剪切刚度;u为玻璃钢结构的剪切模量[6]。利用式（1）计算出玻璃钢结构的抗弯刚度。利用天津HSDAJ公司生产的SHIAF/54ADF45AW弯曲试验机采用控制加载位移的方式对试件进行弯曲试验。SHIAF/54ADF45AW弯曲试验机的初始加载中重力为

10 N，加载速率为10 mm/s，当玻璃钢试件的受力降到0时停止试验[7]。测量玻璃钢试件的抗弯刚度。然后加载重力载荷，分别为20 N、40 N、60 N、80 N、100 N、120 N，重复上述过程。

1.3 试验结果

在玻璃钢试件拉伸试验中，根据试验数据确定玻璃钢试件的抗拉强度，如图1所示。

从图1可以看出，在准静态加载条件下，玻璃钢结构力学性能有明显变化，拉伸速率和玻璃钢材料的密度对玻璃钢结构的力学性能有较大影响。在玻璃钢试件弯曲试验中，利用弯曲挠度测量仪对各个玻璃钢试件的弯曲挠度进行测量，结果如表1所示。

利用式（1）计算出玻璃钢结构的抗弯刚度，数据如图2所示。

从图2可以看出，玻璃钢结构的抗弯刚度受重力载荷影响较大。

2 结果与讨论

2.1 玻璃钢结构抗拉强度力学性能分析

玻璃钢结构的抗拉力学性能受到材料密度和拉伸速率的影响。随着玻璃钢材料中聚酯比重增加，玻璃钢材料密度逐渐增大，玻璃钢结构抗拉性能逐渐提升。当玻璃钢材料密度为0.492 g/cm³、聚酯材料配比为31.46 kg/m³时，玻璃钢结构抗拉性能最佳。玻璃钢结构的抗拉力学性能还会受到拉伸速率的影响，随着拉伸速率的增加，玻璃钢结构的抗拉性能逐渐下降。

2.2 玻璃钢结构抗弯刚度力学性能分析

在弯曲试验中，虽然玻璃钢结构弯曲变形较大，但其抗弯刚度变化并不明显。由此得出，玻璃钢结构的抗弯力学性能特征主要表现为剪切变形，当应力达到一定数值时，玻璃钢结构容易发生断裂。

3 结语

研究玻璃钢结构的力学性能发现，主要与玻璃钢材料配合比有关。因此，在制作玻璃钢材料的过程中，可以通过提升玻璃钢材料中的聚酯比例来提高玻璃钢结构的力学性能。本研究对玻璃钢材料制作工艺优化提供了数据依据，也为玻璃钢结构力学性能试验提供了理论依据。但是，本研究仅分析了玻璃钢结构的拉伸和弯曲两种力学性能，研究内容未涉及玻璃钢结构的其他力学性能。今后将针对冲击力学性能进行研究，充实玻璃钢结构力学性能理论内容。

参考文献：

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