5.13单层复合材料弹性常数的测定 材料的弹性常数是其宏观力学性能的基本参数。各向同性材料，如金属材料有两个独立的弹性 常数：弹性模量E和泊松比μ。而复合材料，由于其各相异性性质，独立的弹性常数增加了。 单层复合材料是层压结构复合材料的基本单元体，同时也可看作是一种最基本的复合材料，所 以测定其弹性常数是复合材料力学中的基本实验。对于单层复合材料，它是一种正交各向异性材料， 在可以简化成广义平面应力的情况下，独立的弹性参数有四个。它们是：纵向弹性模量E、垂直（横 向)主纤维方向弹性模量E、顺主纤维方向泊松比r以及平面剪切弹性模量Gr。 下面将介绍用电测法测试单层复合材料弹性常数。 一.实验目的 1,学习和掌握单层复合材料弹性常数的测试方法。 2.测定弹性量E1、E2及泊松比μ12、21。 3.用偏轴45°复合材料测定剪切弹性模量G2。 4.了解单层复合材料的各向异性特性，并验算工程常数的相容条件：E1μ12=E221。 二.仪器、设备及试件 材料试验机，静态电阻应变仪，游标卡尺。 试件的材料是单向碳纤维增强的复合材料。复合材料试件的方向如图5.13-1，形状如图5.13-2 所示。 n法向 a T横向 lo 阳 九纵向 图5.13-1纤维复合材料的方向 图5.13-2拉伸试件形状示意图 为了测试它的弹性参数，采用三种不同角度的试件，尺寸类别见表5.13-1。按图5.13-3所示的 位置，在三种试件正、反两面的中部贴电阻应变片。 表5.13-1 尺 寸 试件类别 b (mm) 1(mm) a (mm) t(mm) 0° 12 230 50 1 90° 12 230 50 1 ±45° 12 230 50 123
123 5.13 单层复合材料弹性常数的测定 材料的弹性常数是其宏观力学性能的基本参数。各向同性材料，如金属材料有两个独立的弹性 常数：弹性模量 E 和泊松比 µ。而复合材料，由于其各相异性性质，独立的弹性常数增加了。 单层复合材料是层压结构复合材料的基本单元体，同时也可看作是一种最基本的复合材料，所 以测定其弹性常数是复合材料力学中的基本实验。对于单层复合材料，它是一种正交各向异性材料， 在可以简化成广义平面应力的情况下，独立的弹性参数有四个。它们是：纵向弹性模量 EL、垂直（横 向）主纤维方向弹性模量 Er、顺主纤维方向泊松比 µLT以及平面剪切弹性模量 GLT。 下面将介绍用电测法测试单层复合材料弹性常数。 一．实验目的 1．学习和掌握单层复合材料弹性常数的测试方法。 2．测定弹性量 E1、E2及泊松比 μ12、μ21。 3．用偏轴 45º 复合材料测定剪切弹性模量 G12。 4．了解单层复合材料的各向异性特性，并验算工程常数的相容条件：E1·μ12 = E2·μ21。 二．仪器、设备及试件 材料试验机，静态电阻应变仪，游标卡尺。 试件的材料是单向碳纤维增强的复合材料。复合材料试件的方向如图 5.13-1，形状如图 5.13-2 所示。 为了测试它的弹性参数，采用三种不同角度的试件，尺寸类别见表 5.13-1。按图 5.13-3 所示的 位置，在三种试件正、反两面的中部贴电阻应变片。 表 5.13-1 试件类别 尺 寸 b（mm） l (mm) a (mm) t (mm) 0 12 230 50 1 90 12 230 50 1 ±45 12 230 50 1 ··················· ··················· ··················· T 横向 L 纵向 n 法向 图 5.13-1 纤维复合材料的方向 图 5.13-2 拉伸试件形状示意图 l0 l b t a a
E2 (a)0°试件 (b)90°试件 (c)45°试件 图5.13-3试件贴片位置 三.实验原理 本实验采用电测法测定单层复合材料四个弹性参数。根据复合材料力学理论及电测原理，对各 弹性参数的计算可采用以下关系式： 1.0°试件拉伸实验 采用0°试件，沿纵向拉伸，用应变片测纵向应变1和横向应变2，记录σ1一1曲线，根据下面 公式计算应力σ1，主泊松比v12,纵向弹性模量E1。 5a=-g,E=9 01= (5.13-1) 2.90°试件拉伸实验 用应变片测82，记录o2一2曲线，计算应力σ2，横向弹性模量E2及泊松比v21。 h=-，E,= F 02 02= (5.13-2) E) 3.用（±45°）s试件测切变模量G2 直接测切变模量G12需要较复杂的实验装置。比较简单的办法是使用对称铺层的（±45°）试件做 单向拉伸实验。假定试件的纵向为x,横向为y,测出纵向的有效应力σx,试件的纵向和横向应变8x 和8，那么材料主轴方向的切变模量为： Gn=2e-6,) (5.13-3) 四.实验方法与步骤 由学生自行编制实验方法与步骤，编制时要注意以下几方面： 1.根据所贴电阻应变片如何布置测量电桥，并画出测量桥路图： 2.如何予估确定实验最大载荷？可用下面公式估算： P=(0.600.8)btoma omax由不同角度的试件的拉力确定。 124
124 三．实验原理 本实验采用电测法测定单层复合材料四个弹性参数。根据复合材料力学理论及电测原理，对各 弹性参数的计算可采用以下关系式： 1．0试件拉伸实验 采用 0试件，沿纵向拉伸，用应变片测纵向应变1 和横向应变2，记录1－1 曲线，根据下面 公式计算应力1，主泊松比12，纵向弹性模量 E1。 S F 1 ， 1 2 12 ， 1 1 E1 （5.13-1） 2．90试件拉伸实验 用应变片测2，记录2－2曲线，计算应力2，横向弹性模量 E2及泊松比21。 S F 2 ， 2 1 21 ， 2 2 E2 （5.13-2） 3．用（±45º）S试件测切变模量 G12 直接测切变模量 G12需要较复杂的实验装置。比较简单的办法是使用对称铺层的（±45º）试件做 单向拉伸实验。假定试件的纵向为 x，横向为 y，测出纵向的有效应力x，试件的纵向和横向应变x 和y，那么材料主轴方向的切变模量为： 2( ) G x y x 12 （5.13-3) 四．实验方法与步骤 由学生自行编制实验方法与步骤，编制时要注意以下几方面： 1． 根据所贴电阻应变片如何布置测量电桥，并画出测量桥路图； 2． 如何予估确定实验最大载荷？可用下面公式估算： P bt max max 0.6 0.8 σmax由不同角度的试件的拉力确定。 2 1 2 1 ( b ) 90 试件 x y x y ( c ) 45 试件 1 2 1 2 ( a ) 0 试件 图 5.13-3 试件贴片位置
3.为了减少所测数据的分散性，首先要预加初载荷。确定初载荷的方法： 静强度5mr(10%一20%)加载，然后载荷降至5%，以此作为初载荷。 4.加载分级，从初载荷到最大载荷分3~4级，重复测试加载。 五.实验报告 1.做实验时，详细记录试件情况、环境温度、加载条件。 2.用表格的形式记录实验原始数据，并将测试结果代入上面的有关公式计算，得出四个弹性参 数E1、E2、V12、和G12o 3.绘制三种试件的应力应变图。 六.注意事项 1.实验前编制好实验方法与步骤。 2.实验时，控制好加载速度，保证均匀缓慢的加载速度，特别是在测同一参数的重复加载过程 中保持相同的加载速度。 125
125 3． 为了减少所测数据的分散性，首先要预加初载荷。确定初载荷的方法： 静强度 σmax (10%~20%)加载，然后载荷降至 5%，以此作为初载荷。 4． 加载分级，从初载荷到最大载荷分 3~4 级，重复测试加载。 五．实验报告 1．做实验时，详细记录试件情况、环境温度、加载条件。 2．用表格的形式记录实验原始数据，并将测试结果代入上面的有关公式计算，得出四个弹性参 数 E1、E2、12、和 G12。 3．绘制三种试件的应力应变图。 六．注意事项 1．实验前编制好实验方法与步骤。 2．实验时，控制好加载速度，保证均匀缓慢的加载速度，特别是在测同一参数的重复加载过程 中保持相同的加载速度