·1400· 工程科学学报，第39卷，第9期 当1=0时，￡0)=1，初始绣变柔量J0)官 6MPa增加到8MPa,蠕变柔量增加了39.95%；吸湿 后，应力从4MPa增加到6MPa,蠕变柔量增加了 当一+时，m【-(号）广门=0，长期蠕变柔量 46.20%:应力从6MPa增加到8MPa,蠕变柔量增加了 68.83%.受同等恒定应力的干湿试件相比，应力为4、 1 (或平衡螨变柔量)为m(④石+正。如果将蛞变 6、8MPa时，吸湿试件蠕变柔量分别是干燥试件的 1.83、1.88、2.27倍. 试验开始以及结束时的试验数据看做J。和J,那么 0.4 可以近似认为。=官=官+广则可得到E,与 。。心8e。o·心。°口漫4阳二被鉴信 一湿4MPa-拟合值 03 a湿6MPa-试验值 E·的初值： 人 ===湿-6MPa-拟合值 E,0)=方。 女a2石五一云一A。湿-8二减骏馆 湿-8MPa-拟合值 (10) 01 :手 1 E(0)=-J。 米*米米×干-6P阳-试验值 (11) -干-6MPa-拟合值 0.20.40.60.81.0 当B=l,0<a<1时Mittag-Leffler函数有如下特 时间h 性：取t/r=0.7,E.（-0.7°)∈(0.474,0.5]，故可近 图7HFRP搭接试件蠕变柔量曲线（试验值与fRoss模型拟 似认为E.(-0.7“)=0.5.取蠕变柔量试验曲线上一 合值) 点(a.s,Ja5),满足Ja5=0.5(Jo+J),则T的初值 Fig.7 Creep curves of the HFRP lap joint determined from the ex- 可取： periment and the fRoss model r(0)=t。s/0.7. (12) 当0<tgl时，Mittag--Leffler函数有如下近似[]： 产生这种现象的主要原因是，吸湿促进了搭接胶 E.(-°)≈er1m.而0≤a≤1时，r(1+a)∈ 层的塑化20).并且水在HFRP胶接界面扩散时，会弱 (0.885,1].故在此范围内可做如下近似： 化界面的范德华力，并导致界面处的化学键水解，使得 E.(-)≈er.假设蠕变柔量试验曲线上有一 界面发生开裂和脱黏损伤2)，而外加应力可加速该过 点(aJ),满足a=mr,且0<m心l,把该点带入式 程的发生.施加的应力越大，裂纹在基体中形成和扩 (8),并结合式(10)~(12)则可得出a的初值为： 展的速度就越快[]，同时裂纹又可进一步增大复合材 料的吸湿量.此外，应力的存在也加速了界面的脱 ao)=(-会法） (13) 黏].应力越大，界面脱黏的程度就越大，吸湿量也 相应增大.因此应力和吸湿的耦合作用可进一步加速 3试验结果与分析 界面的损伤.此外，由于HFRP搭接接头中碳纤维、玻 蠕变试验的试件分为HFRP试件与HFRP搭接试 璃纤维与环氧树脂的吸湿率存在差异，吸湿后的膨胀 件两种，并分干燥与吸湿两组进行对比试验.由于搭 程度均不相同.这些因素均会影响了搭接接头的吸湿 接试件中包含多种材料，吸湿称重并不能完全反映出 后的蠕变性能. 各材料的吸湿情况，因此，湿处理的HFRP搭接试件在 Ross模型的拟合结果与试验结果的对比如图7 室温下浸水7d,使试件近似达到饱和吸湿.试验室气 所示.本文采用的搜索范围为8，=-0.5,82=0.5，终 温为20±5℃，加载分为两个阶段：第一阶段为预加 止标准为e=1×10-.初值根据式(10)~(13)计算 载，采用位移控制加载，加载速率为1mm·min,荷载 得出.从图7中可看出，Ross模型虽然参数较少，但 从0加载到指定值：第二阶段为荷载保持阶段，采用荷 与试验结果拟合的相关度较高.拟合所得各参数随应 载控制，保持荷载不变直至试验达到指定时间结束. 力的变化趋势如图8所示. 首先进行的是HFRP片材的拉伸蠕变试验，试验 从图8中可以看出，4个独立参数E,、E”、T、α均 中并未观测到干燥以及吸湿后的HFRP片材存在明显 与恒定应力有近似线性的关系.于是，可将式(8)中的 的蠕变变形.因此在本研究中认为HFRP的蠕变变形 常数E、E·、T、a进一步替换为恒定应力σ的函数E, 可忽略不计.HFRP搭接试件的剪切蠕变试验结果如 (σ)，E(σ)，a(σ)与T(σ)，得到改进的fRoss模型蠕 图7所示.从图中可以看出应力与湿度均对试件的蠕 变柔量表达式： 变产生了较大的影响.随着恒定应力的增加，剪切蠕 变变形更加明显，试验结束时的蠕变柔量也就越大 o=a*o-a((a) 试件吸湿后这种影响更加明显：对于干燥试件，应力从 (14) 4MPa增加到6MPa,蠕变柔量增加了42.46%；应力从 其中，对于干燥试件：工程科学学报,第 39 卷,第 9 期 当 t = 0 时,E琢,1 (0) = 1,初始蠕变柔量 J(0) = 1 E1 ; 当 t寅 + 肄 时, lim t寅 + 肄 E琢,1 [ - ( t ) 子 ] 琢 = 0,长期蠕变柔量 (或平衡蠕变柔量)为 lim t寅 + 肄 J(t) = 1 E1 + 1 E * . 如果将蠕变 试验开始以及结束时的试验数据看做 Jt0和 Jtmax,那么 可以近似认为 Jt0 = 1 E1 ,Jtmax = 1 E1 + 1 E * ,则可得到 E1与 E * 的初值: E1 (0) = 1 Jt0 , (10) E * (0) = 1 Jtmax - Jt0 . (11) 当 茁 = 1,0 < 琢 < 1 时 Mittag鄄鄄 Leffler 函数有如下特 性:取 t / 子 = 0郾 7,E琢 ( - 0郾 7 琢 ) 沂(0郾 474,0郾 5],故可近 似认为 E琢 ( - 0郾 7 琢 ) = 0郾 5. 取蠕变柔量试验曲线上一 点(t 0郾 5 ,Jt0郾 5 ),满足 Jt0郾 5 = 0郾 5( Jt0 + Jtmax ),则 子 的初值 可取: 子(0) = t 0郾 5 / 0郾 7. (12) 当 0 < t垲1 时,Mittag鄄鄄Leffler 函数有如下近似[19] : E琢 ( - t 琢 ) 抑e - t 琢 / 祝(1 + 琢) . 而 0 臆琢臆1 时,祝(1 + 琢) 沂 (0郾 885,1]. 故在此范围内可做如下近似: E琢 ( - t 琢 )抑e - t 琢 . 假设蠕变柔量试验曲线上有一 点(t tm ,Jtm ),满足 t tm = m子,且 0 < m垲1,把该点带入式 (8),并结合式(10) ~ (12)则可得出 琢 的初值为: 琢(0) = logm ( - ln Jtmax - Jtm Jtmax - Jt ) 0 . (13) 3 试验结果与分析 蠕变试验的试件分为 HFRP 试件与 HFRP 搭接试 件两种,并分干燥与吸湿两组进行对比试验. 由于搭 接试件中包含多种材料,吸湿称重并不能完全反映出 各材料的吸湿情况,因此,湿处理的 HFRP 搭接试件在 室温下浸水 7 d,使试件近似达到饱和吸湿. 试验室气 温为 20 依 5 益 ,加载分为两个阶段:第一阶段为预加 载,采用位移控制加载,加载速率为 1 mm·min - 1 ,荷载 从 0 加载到指定值;第二阶段为荷载保持阶段,采用荷 载控制,保持荷载不变直至试验达到指定时间结束. 首先进行的是 HFRP 片材的拉伸蠕变试验,试验 中并未观测到干燥以及吸湿后的 HFRP 片材存在明显 的蠕变变形. 因此在本研究中认为 HFRP 的蠕变变形 可忽略不计. HFRP 搭接试件的剪切蠕变试验结果如 图 7 所示. 从图中可以看出应力与湿度均对试件的蠕 变产生了较大的影响. 随着恒定应力的增加,剪切蠕 变变形更加明显,试验结束时的蠕变柔量也就越大. 试件吸湿后这种影响更加明显:对于干燥试件,应力从 4 MPa 增加到 6 MPa,蠕变柔量增加了 42郾 46% ;应力从 6 MPa 增加到 8 MPa,蠕变柔量增加了 39郾 95% ;吸湿 后,应 力 从 4 MPa 增 加 到 6 MPa, 蠕 变 柔 量 增 加 了 46郾 20% ;应力从 6 MPa 增加到 8 MPa,蠕变柔量增加了 68郾 83% . 受同等恒定应力的干湿试件相比,应力为 4、 6、8 MPa 时,吸湿试件蠕变柔量分别是干燥试件的 1郾 83、1郾 88、2郾 27 倍. 图 7 HFRP 搭接试件蠕变柔量曲线( 试验值与 fRoss 模型拟 合值) Fig. 7 Creep curves of the HFRP lap joint determined from the ex鄄 periment and the fRoss model 产生这种现象的主要原因是,吸湿促进了搭接胶 层的塑化[20] . 并且水在 HFRP 胶接界面扩散时,会弱 化界面的范德华力,并导致界面处的化学键水解,使得 界面发生开裂和脱黏损伤[21] ,而外加应力可加速该过 程的发生. 施加的应力越大,裂纹在基体中形成和扩 展的速度就越快[22] ,同时裂纹又可进一步增大复合材 料的吸湿量. 此外,应力的存在也加速了界面的脱 黏[23] . 应力越大,界面脱黏的程度就越大,吸湿量也 相应增大. 因此应力和吸湿的耦合作用可进一步加速 界面的损伤. 此外,由于 HFRP 搭接接头中碳纤维、玻 璃纤维与环氧树脂的吸湿率存在差异,吸湿后的膨胀 程度均不相同. 这些因素均会影响了搭接接头的吸湿 后的蠕变性能. fRoss 模型的拟合结果与试验结果的对比如图 7 所示. 本文采用的搜索范围为 啄1 = - 0郾 5,啄2 = 0郾 5,终 止标准为 着 = 1 伊 10 - 3 . 初值根据式(10) ~ (13)计算 得出. 从图 7 中可看出,fRoss 模型虽然参数较少,但 与试验结果拟合的相关度较高. 拟合所得各参数随应 力的变化趋势如图 8 所示. 从图 8 中可以看出,4 个独立参数 E1 、E * 、子、琢 均 与恒定应力有近似线性的关系. 于是,可将式(8)中的 常数 E1 、E * 、子、琢 进一步替换为恒定应力 滓 的函数 E1 (滓),E * (滓),琢(滓)与 子(滓),得到改进的 fRoss 模型蠕 变柔量表达式: J(t) = 1 E1 (滓) + 1 E * (滓 [ ) 1 - E琢(滓),1 ( - ( t 子(滓 ) ) 琢(滓 ) ] ) . (14) 其中,对于干燥试件: ·1400·