碳玻混杂复合材料层合板拉伸性能仿真与试验★

李 想，朱永凯，王 哲，郑春生，张 伟，江文强

(1.华北电力大学机械工程系，河北 保定 071003;2.胜利石油管理局有限公司电力分公司，山东 东营 257000；3.中信戴卡股份有限公司，河北 秦皇岛 066011)

传统输电杆塔多由钢材加工制造而成，然而由于钢材密度大、易腐蚀，且本身为导体，并非理想的杆塔建筑材料，因此寻求轻质、高性能的材料已成为当前研究的热点问题[1]。因纤维增强树脂基复合材料具有高比强度以及耐腐蚀等优点[2]，将其作为输电杆塔制作材料已成为现在发展趋势[3]。但玻璃纤维复合材料存在弹性模量小、载荷作用下变形大等弊端，因此有必要通过不同纤维材料混杂来提高复合材料的机械力学性能[4]。国内外学者从材料选择[5-8]、混杂比例[9-12]、缠扰方式[13-15]等方面提出了改善复合材料杆塔结构以及提高杆塔强度等方法。本文以碳玻混杂复合材料为研究对象，对不同纤维比例与铺层角度的层合板进行有限元模拟和试验研究分析，以此获得不同混杂种类之间力学性能差异，确定较好的纤维混杂比例与铺层角度，从而为复合材料在输电杆塔的推广应用提供理论依据。

1 碳玻纤维复合材料层合板拉伸试验

1.1 试验试样

试验设计了全为碳纤与碳玻混杂1∶1两种类型层合板材料。为保证碳玻的掺杂比例，对全碳纤维层压板沿厚度方向铺设12层，碳玻混杂比为1∶1的层压板沿厚度方向铺设8层。以碳纤维0°方向为基准对其进行切割，分别得到0°，45°不同纤维铺层的层合板。对全碳纤维方向为0°的层合板编号为A-1，45°纤维方向编号为A-2；对碳玻混杂1∶1纤维方向为0°的层合板编号为B-1，45°纤维方向编号为B-2。试验参考国家标准GB/T 1447—2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法[16]对试件进行拉伸试验，且为了保证实验结果的可靠性，将试样分为4组，每组3根试件，共计12根试件进行力学拉伸试验，试样的具体参数如表1所示，其几何尺寸见图1。

表1 拉伸试样参数表

1.2 试验结果分析

由力学拉伸试验所获得的0°纤维铺层的层合板的应力-应变曲线如图2所示。针对图2中的曲线可以看出，A-1所获得的弹性模量与抗拉强度均大于B-1，说明碳纤比例的增加可以明显提高复合材料整体的力学性能，但其脆性也随之增强。

图3为45°纤维铺层层合板的应力-应变曲线。针对图3中的曲线可以看出，随着玻纤比例增加，在受拉时玻纤比碳纤吸收了较多的能量，B-2相较于A-2拉伸时间变长，塑性变强，玻纤的吸能能力显著。结果表明，碳纤的混杂可以使复合材料的弹性模量与拉伸强度有所增加，当碳玻混杂一定的比例时，不但节省材料成本，而且满足材料使用强度的要求。

为了清晰比较不同混杂方式与不同纤维方向导致的结果差异，从图2与图3拉伸试验曲线中分别提取拉伸试件的弹性模量与抗拉强度，其结果分别见图4，表2。

表2 不同试件的拉伸性能

从图4，表2中可以看出，全碳纤维层合板承受最大应力是在0°纤维铺层方向上获得的，对其求平均值作为全碳纤维复合材料层合板的抗拉强度，结果为710 MPa。而45°纤维铺层方向的抗拉强度仅为210 MPa，是0°纤维铺层方向抗拉强度的0.3倍。同样对该类型层合板的两个纤维方向的弹性模量取均值，0°纤维方向的拉伸弹性模量67.5 GPa，45°方向的拉伸弹性模量为11.31 GPa。当层合板类型为碳玻混杂1∶1时，其承受最大应力仍是在0°纤维铺层方向上获得的，0°纤维铺层方向的抗拉强度550 MPa。45°纤维铺层方向的抗拉强度为197 MPa，是0°纤维铺层方向抗拉强度的0.35倍。对该类型层合板两个纤维方向的弹性模量取均值，0°纤维铺层方向的弹性模量44.05 GPa，45°方向的弹性模量为9.01 GPa。结果表明：0°纤维铺层方向上，全碳相比于碳玻混杂比为1∶1的层合板弹性模量高53%，抗拉强度高29%；45°纤维铺层方向上，全碳相比于碳玻混杂比为1∶1的层合板弹性模量高26%，抗拉强度高7%。0°和45°两个纤维铺层方向，均表现出拉伸弹性模量的提高幅度远高于抗拉强度的提高幅度。

2 有限元分析

2.1 有限元模型

采用Abaqus有限元软件模拟层压板的拉伸试验，建模过程如下：按照表1要求分别建立全为碳纤维与碳玻混杂比为1∶1复合材料拉伸试样的三维实体模型，根据表2试验所测性能参数，取其均值作为四种不同材料属性的参数设置。选择单元类型为SC8R连续壳单元，对其进行网格划分，单元总数为37 500。在约束模块中，对一端加强片粘贴区域施加铰接约束，对另一端加强片粘贴区域施加2 mm位移约束。

2.2 仿真结果分析

图5为层合板仿真拉伸性能结果对比，其具体数值已列于表2，排除试件参数随机性所带来的差异，其结果表明仿真与实验对比较好。

考虑试验随机参数差异不大，所以任选一组试验数据与仿真进行对比。图6为试样拉伸时仿真与试验的应力-应变曲线对比图，由图6可知，0°纤维铺层方向仿真应力-应变曲线与实验较为吻合；45°纤维铺层方向仿真的应力-应变曲线与实验值的弹性阶段较为吻合，之后在塑性阶段试验曲线的斜率变小，仿真曲线与试验曲线的差距增大。

为更直观比较仿真与试验的差别，分别提取四种编号复合层压板的应力云图，见图7。

由图7可知，试样两端粘贴加强片，应力集中区域均位于加强片与试样的过渡区域，这表明试样的破坏是由于拉伸试验设备的夹持而不是复合材料的拉伸破坏。对于全碳、碳玻混杂1∶1纤维角度均为0°的试样，其加强片之间区域的应力分布均较一致；而对于纤维角度为45°的试样，应力数值较小，且在加强片与试样的过渡区域应力分布不均匀，在试样边缘与中心区域应力分布较小。

3 结论

本文对全碳与碳玻混杂比为1∶1的两类层合板，开展0°与45°不同铺层角度的轴向拉伸研究，通过有限元模拟与试验研究分析，研究各参数对拉伸强度、弹性模量等力学性能指标的影响规律，得到结果如下：

1)随着碳纤比例的增加，且碳玻混杂一定的比例时，不但节省材料成本，而且满足材料使用强度的要求。

2)提高碳纤维掺杂比例会提高试样的抗拉强度与弹性模量。0°纤维铺层方向上，全碳相比于碳玻混杂比为1∶1的层合板弹性模量高53%，抗拉强度高29%；45°纤维铺层方向上，全碳相比于碳玻混杂比为1∶1的层合板弹性模量高26%，抗拉强度高7%。

3)在弹性阶段，仿真的应力应变曲线与试验值较吻合，而对于45°纤维铺层方向的塑性阶段相差较大，在后续工作中可以对塑性阶段展开详细研究。