Qual é o teste de comportamento de materiais compósitos?
O estudo geral da mecânica dos materiais é sobre materiais isotrópicos uniformemente distribuídos, mas agora há outro material que está se tornando cada vez mais amplamente utilizado na engenharia chamado materiais compósitos. É um material anisotrópico. Compostos são materiais com novas propriedades feitas de dois ou mais materiais com propriedades diferentes por métodos físicos ou químicos, e geralmente as propriedades dos compósitos são melhores do que as propriedades de seus materiais componentes. Quais são as características dos materiais compósitos em termos de comportamento mecânico e de que forma a anisotropia se manifesta? Como os materiais anisotrópicos podem medir suas constantes elásticas, quais são as diferenças nas propriedades mecânicas entre diferentes direções de colocação da fibra e diferentes direções de carregamento, e quais são os estados ao longo do eixo e fora do eixo?... Para facilitar o estudo dessas questões, processamos uma placa composta com o material de reforço em camadas ao longo de uma direção (como mostrado na Figura 1). Como o reforço é unidirecional, ele evita muitas das questões complexas na pesquisa composta.
O material específico estudado principalmente neste experimento é um compósito unidirecional reforçado com fibra de vidro. O módulo de elasticidade da fibra de vidro é de cerca de 80 ~ 85 GPa e a matriz é resina epóxi, cujo módulo de elasticidade é de cerca de 3 ~ 5 Gpa. sua relação de volume de fibra para resina epóxi é de cerca de 1; 1. também são fornecidos compósitos reforçados bidirecionais (reforço ortogonal) com uma proporção de fibras 18:14 em ambas as direções e alguns materiais metálicos.
I. Princípio experimental e método de ensaio
A constante elástica de um material é um parâmetro fundamental para descrever as propriedades mecânicas de um material. Como valor característico para medir a rigidez e o comportamento de deformação elástica de um material, é um índice muito importante no cálculo teórico e projeto de engenharia. Materiais familiares, tais como metais, são materiais isotrópicos com duas constantes elásticas independentes, nomeadamente o módulo de elasticidade E de Young e a razão de Poisson u (ou módulo de cisalhamento de elasticidade G). Os materiais compósitos, por outro lado, têm aumentado constantes elásticas independentes devido à sua proeminente natureza anisotrópica. Para determinar as constantes elásticas dos compósitos, o material em teste foi processado em três corpos de prova com fibras a 0°, 45° e 90° na direção de carga. As deformações em três direções, isto é, longitudinal, transversal, e 45 Os strain gauges são conectados à ponte de medição de uma determinada maneira, e os sinais de deformação podem ser lidos diretamente do strain gauge estático digital em um ponto fixo ou os dados de carga e deformação podem ser registrados automaticamente pelo sistema de aquisição de dados. Os dados experimentais são processados por regressão linear e As constantes elásticas do material compósito são calculadas de acordo com a seguinte equação:
A definição das coordenadas está representada na Figura 2. A deformação de cisalhamento acoplada é uma propriedade mecânica do material compósito no estado de tensão fora do eixo. Para estudar e medir a deformação tangencial acoplada, foram fixados strain gauges ao espécime nas direções 0° e 90° além da direção 45°. Foi possível compreender a diferença e as características dos dois estados de tensão do material compósito, isto é, tensão ao longo do eixo (O°, 90°) e tensão fora do eixo (45°), e medir experimentalmente a tensão ao cisalhamento acoplada.
1. Processamento de amostras
Um espécime elástico padrão é usinado a partir da placa composta em 0°, 45° e 90°. A forma do espécime é mostrada na figura 3, e as dimensões nominais do espécime são t=2,5-5mm na espessura e b=25mm na largura, e o espécime é reforçado com folhas de aço de alumínio ou vidro em ambas as extremidades.
Figura 3
O método de definição do nome do provete é o seguinte:
1). Composto unidirecional
O espécime de 0° está na direção da fibra (longitudinal);
O provete de 90° é perpendicular à direção da fibra (transversal);
O espécime de 45° é orientado a 45° com a fibra (45° fora do eixo).
2). Composto ortogonal
O espécime de 0° está na direção da fibra principal (longitudinal);
Amostra de 90° - perpendicular à direção da fibra principal (transversal);
O espécime de 45 ° é orientado a 45 ° para a fibra principal (45 ° fora do eixo).
2. Descrição do método de medição de deformação e do acoplamento
The strain of the specimen is measured by resistance strain gauges. The resistance value of the resistance gauges is 120Q, the sensitivity coefficient K g is 2.08, and the transverse correction coefficient H=1.2%. The resistance gauges are symmetrically pasted on the front and back sides of the specimen, and three resistance gauges are arranged on each side in the directions of 0. (loading direction), 90° (vertical loading direction) and 45° (45° from the loading direction) ε0,ε90 and ε45.
Para facilitar a medição do acoplamento, uma placa de acoplamento e um soquete de 14 pinos são fixados acima da posição do remendo (ver Figura 3). Os pinos superior e inferior do soquete são encurtados juntos, usando seis grupos deles, para conectar os seis fios de ligação das abas do resistor em cada uma das três direções em sequência. Para a medição, uma linha de fios com um plugue de 14 pinos, cujo plugue está conectado ao soquete, é conectada com 12 fios, e cada dois adjacentes são conectados juntos, formando 6 fios de saída correspondentes aos três strain gauges respectivamente.
II. Objectivos experimentais:
1. Dominar o método de testar as constantes elásticas de materiais compósitos.
2. To determine the five elastic constants of composite materials, E1,E2,μ12,μ21 and G12.
3. Conhecer as características de anisotropia de materiais compósitos.
4. para entender as propriedades mecânicas dos compósitos em diferentes direções de colocação de fibra e diferentes direções de carregamento.
5. to study the relationship between E1,E2,μ12and μ21 in the along-axis properties;
6.To estudar o fenômeno de cisalhamento acoplado durante o carregamento fora do eixo.
7. Estudar o método de medição da tensão de cisalhamento acoplada.
III. Equipamento experimental e provetes
1,Máquina de teste universal eletrônica
2. Um grupo de espécimes compostos reforçados unidirecionais
3. 0°, 45° e 90° espécimes com strain gauges anexados aos espécimes.
4,Multi-canal sinal pré-amplificador e sistema de aquisição de dados
5. strain gauge estático digital multicanal;
Paquímetros vernier de 5.0.02mm.
IV. Procedimento de ensaio
O material sob teste é um material composto unidirecional reforçado, e o desempenho do espécime em cada direção é muito diferente. Certifique-se de prestar atenção à proteção do espécime de teste durante o processo de instalação e carregamento. Antes do ensaio, a tabela de dados exigida para a experiência deve ser projetada, o tamanho do espécime deve ser medido com precisão e a carga experimental máxima Pmax do espécime deve ser dada de acordo com a tensão permitida do material em teste e a faixa de medição de deformação do strain gauge.
1. Método de amostragem por computador
Os seis medidores resistivos nos lados dianteiro e traseiro estão conectados aos seis canais do strain gauge estático. Cada canal é equipado com quatro terminais, correspondentes a A, B, C e D. O teste é realizado em um modo de medição de braço único, com os medidores de trabalho conectados em A e B, e os medidores de compensação de temperatura conectados em B e C. Ligue o poder do computador, execute o software de ensino do teste de força material no ambiente das janelas, selecione "experiência de determinação constante de elasticidade" para entrar automaticamente na exibição do sinal de teste e na interface de controle da máquina de teste.
Nas "condições experimentais", defina a natureza variável de cada canal de strain gauge como "braço único". Defina a exibição de deformação para zero para cada canal antes do experimento. Selecione baixa velocidade, pressione "Iniciar" para carregar lentamente, o computador coleta e registra automaticamente a carga, deslocamento e seis sinais de deformação até que a carga máxima do experimento seja atingida. Pressione "End" para parar o carregamento e amostragem automaticamente. Após o experimento, os dados podem ser salvos como arquivos de dados e copiados para o disquete, e os dados podem ser processados por outro software, ou você pode ir para a interface de processamento de dados e observar as curvas de relacionamento e, se necessário, descobrir a inclinação da curva selecionada e imprimir.
2. Método de leitura digital do strain gauge
Primeiro, selecione o método de ponte e, em seguida, conecte os cabos do strain gauge à caixa de ponte do strain gauge de acordo com o método de ponte ajustado. O provete é carregado uma vez a uma velocidade lenta e descarregado até à carga inicial. Registre 5-10 conjuntos de dados de carga e deformação em um modo de carregamento graduado. O melhor conjunto de dados é selecionado e regressão linear é realizada por mínimos quadrados para descobrir a inclinação da curva. Tome cuidado para selecionar a faixa de carga apropriada, dentro da carga experimental máxima Pmax, e determinar a carga inicial P e carga final Pyv de acordo com as condições específicas. a velocidade de carga deve ser controlada, reduzir a velocidade de carga ao aproximar-se dos parâmetros de controle e tomar leituras a tempo. Ao registrar os dados, verifique sempre se os incrementos de deformação são lineares. O teste deve ser repetido pelo menos duas vezes, e se os dados são estáveis e repetíveis para ser bom.
V. Organização dos dados de ensaio
1. Os dados de carga e deformação axial e deformação axial e deformação transversal de cada amostra são processados pelo método dos mínimos quadrados.
Calculate E1,E2,μ12,μ21和 and G12. for the material under test and analyze the results to discuss whether there is a quantitative relationship between the four constants of E1,E2,μ12and μ21.
2. de acordo com os parâmetros dos materiais testados, o módulo de elasticidade da fibra de vidro E = 85Gpa, o módulo de elasticidade da resina epóxi E = 5Gpa, e o módulo de elasticidade da fibra e resina epóxi E = 5Gpa.
5Pa e a relação volume de fibra para resina epóxi 1:1, calculam os valores teóricos dos módulos elásticos E e Ez, e comparam-nos com os resultados experimentais para analisar as possíveis razões para as diferenças.
3. Calcular a deformação de cisalhamento acoplada yy em P=2KN para compósitos unidirecionais e ortotrópicos, e explicar se a deformação de cisalhamento
4.Pode a estirpe de cisalhamento acoplada Yxy ser diretamente observada ou determinada com precisão a partir dos dados experimentais, e o valor experimental é consistente com o valor calculado, e o que o erro indica?
A curva de deformação é traçada em papel coordenado.
5.Compare o material composto com o material metálico geral e explique as características e anisotropia do material composto reforçado com fibra.
6.Organize os dados e complete o relatório experimental completo.