复合材料在海水中力学性能变化的统计分析

王威力,田忠恩,郑岩,罗世文,侯传礼

摘要对复合材料单向纤维力学试件进行不同时长的海水浸泡试验，测试试验后复合材料试件的拉伸和弯曲性能，对力学性能测试数据进行多种统计分析，结果表明，2160 h内，海水对复合材料力学性能的影响不大，即复合材料力学性能数值的离散程度不随试验时长增加而增加。由于力学性能数值的绝对值相对较大，数值扰动对复合材料变异系数的影响较小，变异系数的置信度较高，与最大赋范残差相比，结构设计时以正则化值为依据可靠性更高。

关键词碳纤维；环氧树脂；老化；统计

Statistical Analysis of Mechanical Properties Changes of Composites in Seawater

WANG Weili，TIAN Zhongen，ZHENG Yan，LUO Shiwen，HOU Chuanli

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACTThe mechanical specimens of composites with unidirectional fibre were subjected to seawater immersion tests，then the tensile and flexural properties of the composite with different test time lengths were tested， and statistical analyses were performed on the test data of mechanical properties. The results showed that seawater did not give too much influence on the mechanical properties of the composites in 2160hs. the degree of dispersion in the numerical values of the composites mechanical properties did not increase when test time increased. Due to the relatively large absolute value of the mechanical property， the numerical perturbation has less effect on the coefficient of variation， and the confidence level of the coefficient of variation is high， which makes the structural design based on the regularised values more reliable compared to the maximum fugitive residuals.

KEYWORDScarbon fiber；epoxy resin；ageing；statistics

1引言

海洋经济是我国“十四五”发展规划中的重要组成部分［1-3］。复合材料制品由于具备轻质高强、耐腐蚀性好、生命周期长等优点，在海上能源开发、船舶制造、海洋工程修复等领域发挥着巨大的作用［4-6］。以柱管类海洋平台组件为例，与传统钢材相比，复合材料柱管类海洋平台组件在海洋环境中使用时，几乎没有腐蚀［7-8］。复材组件具备的优良抗腐蚀性使其多年免维护，可节约大量的材料和人力消耗，节约70 %的维护费用［9］。复合材料制品由于成型和加工方式的差异，其力学性能数值具有一定的离散性［10-12］。因此，需要考虑复合材料力学性能的离散性，以提高复合材料结构件的安全系数［13-14］。尤其是在海水中直接浸泡使用的复合材料制品，海水会进一步增加力学性能的离散程度［15］，因此，统计分析复合材料在海水中浸泡后力学性能变化数据，可为复合材料海洋制品的设计开发提供依据，有利于复合材料制品未来在海洋工程领域获得更广泛的应用。本文对海水浸泡试验前后的碳纤维复合材料单向纤维板的力学性能数据进行了统计分析，获得海水浸泡试验后复合材料力学性能的离散变化情况。

2试件制作及试验

2.1原材料

碳纤维：SYT49S，中复神鹰碳纤维股份有限公司

环氧树脂：双酚A，中蓝晨光化工有限公司

2.2试验板制备

采用湿法缠绕成型单向纤维板，厚度为2 mm，升温固化后脱模。

2.3力学试验设备和测试标准

力学试验设备：万能力学试验机INSTRON5582

测试标准：拉伸性能试验按照《GB/T3354-2014定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》进行，弯曲性能试验按照《GB_T 3356-2014 定向纤维增强聚合物基复合材料弯曲性能试验方法》进行。

2.4加工和试验

将制备的复合材料样板放置在室温条件、盐度3 %的海水试验箱中，间隔取样，取样周期720h，试验时长分别为0 h、720 h、1440 h和2160 h，浸泡试验后取出样件烘干，加工至相应要求的尺寸，进行力学性能测试，测试项目为拉伸强度和弯曲强度。不同浸泡时长的力学试件，每组平行试样数量为5个，外观如图1所示。

试件外观光滑平整，树脂与纤维浸润良好，无干纱、余胶等明显缺陷，说明试件制备工艺较合理，试件的力学性能变化和离散情况适宜用于统计分析。

3统计方法

对海水浸泡试验时长分别为0 h、720 h、1440 h和2160 h的试件进行拉伸强度、弯曲强度的测试，对各组试验数据进行统计处理，以期获得不同试验时长下，复合材料力学性能的变化情况，并获得较可信的统计结果，为结构计算提供依据。统计计算的项目包括数据的基础统计和样本类型分析两个部分。

3.1数据的基础统计

（1）样本均值

X=1n∑Xj（1）

其中，n为该组样本数量，Xj为样本实测数值。

（2）标准差

S=∑（Xi-X）2n-1（2）

其中，n为该组样本数量，Xi为样本实测数值，X为样本均值。

（3）变异系数

Cv=sX（3）

其中，S为样本标准差，X为样本均值。

（4）极差

R=Xmax-Xmin（4）

其中，Xmax为该组样本中数值的最大值，Xmin为该组样本中数值的最小值。

上述统计可初步反应复合材料力学性能的离散情况和置信度。

3.2样本类型分析

为进一步分析样本类型，对样本进行了正则化值、最大赋范残差M和Anderson-Daring批间变异检查K，确定了样本类型，计算方法如下。

（1）正则化值

Mz=Ms×CPTc/CPTz （5）

其中，Ms为样本实测数值，CPTc为样本厚度实测值，CPTz为样本厚度计算值。

（2）最大赋范残差

M=max|Xi-X|s（6）

其中，Xi为样本实测数值，X为样本均值，S为样本标准差。最大赋范残差常用于异常数据的检查。

（3）Anderson-Daring批间变异检查

K=n-1n2（k-1）∑ki=11ni∑Lj=1hi（nFij-niHj）2Hj（n-Hj）-nhj/4（7）

其中，n为该组样本数量，k为数据组编号，hj为合并样本中等于Zj的数值个数，Hj为合并样本中小于Zj的数值个数+合并样本中等于Zj的数值个数的一半，Fij为第i组中小于Zj的数值个数+第i组中等于Zj的数值个数的一半。

4统计结果

4.1数据的基础统计结果

对海水浸泡试验时长分别为0 h、720 h、1440 h和2160 h的复合材料，测试拉伸性能和弯曲性能，其中拉伸性能包括拉伸破坏载荷和拉伸强度，弯曲性能包括弯曲破坏载荷和弯曲强度，对上述各项力学性能的测试数值进行统计，结果见表1～表4。

由表1～表4可见，随着海水处理时间的增加，复合材料力学试件的拉伸、弯曲性能的强度和破坏载荷的均值、方差、变异系数和极差均没有明显增加或降低的趋势。其中，拉伸、弯曲强度和破坏载荷的均值数据说明在2160 h的时间区间内，复合材料力学性能没有明显下降的趋势，采用该种材料成型的产品在2160 h时间区间内力学性能没有下降，可安全使用。方差、变异系数和极差的数据说明海水对复合材料性能的影响较为随机，从数据离散情况看，海水浸泡试验过程没有明显对复合材料的界面和微观结构造成破坏。

此外，极差、变异系数和标准差共同表征离散程度，由于测试结果数据的绝对值相对较大，使得数值扰动对极差和标准差的影响较大，而对变异系数的影响较小，因此，复合材料力学性能测试数据的各项统计值中，变异系数的置信度较高。

2样本类型分析结果

统计海水浸泡不同时长后复合材料力学性能测试值的正则化M和赋范差MNR，结果如表5和表6所示。

此外，以海水浸泡时长相同的复合材料试件为一组，对复合材料力学性能数值进行了Anderson-Daring批间变异检查，由式（7）计算得到K=106.65。

由正则化、赋范差和批间变异检查等统计计算结果可见，海水浸泡时长不同的复合材料力学性能的测试值，σt和σb均值大于正则化的最小值，且小于正则化的最大值。σt正则化值差别不大，说明在2160 h的处理时长内，复合材料的许用值没有发生变化，在此期间内，复合材料使用时的安全系数不会发生变化。σt的正则化值由一定量变化，考量复合材料弯曲强度时，应以正则化较低的数值为依据，保证复合材料使用的安全性。

与复合材料的离散值相比，赋范差数值控制范围过小，不适于以此为据直接对产品质量进行控制，实际操作中可设定复合材料结构强度大于正则化最小值。

海水浸泡时长不同的复合材料力学性能测试值的Anderson-Daring批间变异检查K值的数值较大，说明样本母体间差异较大，复合材料在海水处理后力学性能的测试数值组为非结构型数据。

5结语

本文将复合材料试件放置在海水环境中，对不同浸泡时长试件的力学性能数值进行统计分析，结论如下：

（1）2160 h内，海水对复合材料力学性能的影响不大，复合材料力学性能数值的离散程度不随试验时长增加而增加。

（2）力学性能数值扰动对复合材料变异系数的影响较小，变异系数的置信度较高。

（3）结构设计时应以正则化值为依据。

本研究中试验时间较短，且平行样本数量较少，后期可开展更长时间周期的海水浸泡试验，同时增加平行样本数量，以期获得更具广泛性的统计结果。

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