T700/LT-03A层合板在不同环境下的拉伸性能研究

李晓宇，张艳

（西安航空职业技术学院， 陕西 西安 710089）

T700/LT-03A层合板在不同环境下的拉伸性能研究

李晓宇，张艳

（西安航空职业技术学院， 陕西 西安 710089）

在室温、低温和湿热三种环境下，对碳纤维层合板分别开展了静力和拉-拉疲劳试验。得到了T700/LT-03A层合板的拉伸性能和破坏机理。在抗拉强度和抗疲劳性能方面，室温环境优于其它两种环境。试验和模拟结果表明：T700/LT-03A层合板在三种环境下的应力结果较为接近；与室温环境下的结果相比，低温和湿热环境下层合板的应力分别减少了3.37%和4.3%，而湿热环境下层合板的应力增大了5.69%。环境对该层合板的疲劳性能影响较大。研究成果对碳纤维复合材料的工程应用提供一定的参考。

碳纤维层合板；湿热；应力；疲劳

Abstract:The tensile properties and fatigue behavior of carbon fiber reinforced composite laminates were tested at different temperatures in tensile and tension–tension fatigue process. The tensile properties and failure mechanism of T700/LT-03A laminates were obtained by this way. Through comparing the tensile properties at three different temperatures, it was obtained that the tensile properties at room temperature was higher than those at other temperatures. The results showed that the static strength of T700/LT-03A laminates under the three kinds of temperature was not obviously changed, and the static strength at low temperature was reduced by 3.37% compared with at room temperature, and the static strength in hot and humid environment was reduced by 4.3% compared with that at room temperature. Compared with the ambient temperature, the stress value of the hot and humid environment was increased by 5.69%, and the stress value had a great influence on the number of fatigue cycles. The paper can provide some reference for application of carbon fiber composites in the future.

Key words:Carbon fiber laminate;Hot and humid;Composite;Fatigue

碳纤维是继玻璃纤维之后出现的第二代纤维增强材料，具有高比强度、高比模量、耐高温等优点[1,2]。随着航空航天对材料的需求，特别是为了适应不同环境下的飞行性能，复合材料在不同温度下的研究也越来越广泛。因此对 T700/LT-03A复合材料进行不同环境的应力和疲劳性能的研究非常有必要。

曹海建[3]利用有限元软件ANSYS分析了三位整体中空复合材料结构模型的压缩力学性能，汪源龙[4]对碳纤维（CCF300）/双马树脂（GW300）复合材料层合板进行了高温环境下的拉伸和压缩性能实验，研究其在不同温度下的基本力学性能变化。朱振涛[5]等对复合材料层合板的拉伸和剪切进行了试验分析，等到了层合板的基本力学性能的分散性结果。吴以婷[6]等研究了湿热环境下 Carbon/Epoxy复合材料层合板动态压缩性能，结果表明吸湿使得材料动态强度的上升在应变率较低时比较明显。H.Mivehchi和 A. Varvani-Farahani[7,8]研究了温度对纤维增强复合材料累积损伤的影响，并引用文献中室温和高温下的试验对其理论进行了验证，结果表明疲劳寿命随着温度的升高而下降。Samirkumar M.Soni[9,10]等通过试验研究了碳/环氧和玻璃/环氧夹层结构在 22、0和-60 ℃时的疲劳性能，结果表明-60℃下两种材料的疲劳寿命都极大提高，并进行了有限元分析。吴振[11]研究了湿热力载荷下复合材料层合板力学行为，得到了湿热膨胀系数对湿热行为的影响。国内对复合材料的研究还主要集中在静力方面，而对低温和湿热下复合材料的疲劳研究还报道得不多。

本文通过试验和有限元数值模拟对比分析了T700/LT-03A层合板在不同环境下的拉伸性能，并研究了室温、低温和湿热的拉-拉疲劳试验，分析了不同温度环境下复合材料疲劳性能的差异和应力值对疲劳的影响。

1 试验部分

试验件材料为T700/LT-03A层合板，铺层顺序为[-45/90/45/0/902/-45/90]S；加强片采用玻璃纤维增强材料制作；层合板与加强片间用胶膜 SY-24C粘接。图1给出试样的形状。在试件表面几何中心粘贴正交电阻应变计，测量其横向和纵向的应变值。

图1 试样尺寸Fig.1 Sample size

碳纤维层合板静力、拉-拉疲劳试验均在液压伺服 INSTRON8801试验机上进行。该试验机配有数据自动采集处理，测试精度高。室温试验环境为25 ℃，干态。低温为-55 ℃，湿热(70 ℃)湿度(85%)。进行静力拉伸和拉—拉疲劳的试验，其中试件在进行疲劳试验时每加载2万次测1次应变。试验的应力比R=0.06，加载频率为10 Hz。图2为进行试验时的图片。

图2 试验机系统Fig.2 Test machine system

2 试验结果表

图3和表1给出了T700/LT-03A层合板在三种环境下的温度—载荷图及均值表。材料尺寸相同。

从表1可以看出，在三种环境下，T700/LT-03A层合板在室温下的静强度最高，低温环境下的应力比室温环境下降3.37%，而湿热环境下的强度最低，湿热环境下的应力比室温环境下降了 4.3%。T700/LT-03A在三种环境下测得的破坏载荷的变异系数较小，特别是湿热条件下的变异系数为3.66%，均不超过 7%，说明这复合材料层合板在三种环境下静力拉伸性能的分散性较小，试验结果能够较好地反映材料的性能。

图3 温度-载荷图Fig.3 Temperature load diagram

表1 T700/LT-03A在不同温度的最大破坏载荷Table 1 Failure load of T700/LT-03A at different temperatures

图4为典型的试验破坏图片。

图4 试件静力破坏图Fig.4 Static failure diagram of specimen

图4可以看出材料在室温下的破坏方式主要为纤维断裂，低温环境下基体为脆性，拉伸先引起层间分层，所以破坏方式表现为层间分层和纤维断裂，层间破坏相对严重，断口较室温下粗糙。

图5和表2给出了T700/LT-03A层合板在三种环境下的疲劳寿命，所有疲劳试验的应力比R均取0.06，加载频率取10 Hz，T700/LT-03A层合板的疲劳最大载荷为28.69 kN（最大破坏载荷的65%）。

表2 T700/LT-03A在三种环境下的疲劳寿命Table 2 Fatigue life of T700/LT-03A in three environments

图5 温度-疲劳寿命图Fig.5 Temperature fatigue life diagram

从图6可以看出， T700/LT-03A复合材料层合板在三种环境下的疲劳寿命有很大差异。

本文提出了一种以压电陶瓷片为载体的无线超声波雾化系统。该系统利用机械共振的原理，通过单片机的无线控制，实现温湿度自动调节，通过智能控制，可以节约资源。该系统可以广泛应用于农作物种植等农业控制环境中，具有十分广阔的市场前景。

图6 试件疲劳破坏图Fig.6 Fatigue failure diagram of specimen

与室温环境相比，低温环境下材料的疲劳寿命下降了82.2%，湿热环境下疲劳寿命下降了99.4%，这表明T700/LT-03A的疲劳性能随着环境的变化变化明显，整体疲劳保持率较低。低温和湿热下疲劳的断口较为整齐，从表中可以看出T700/LT-03A在三种不同的环境下的疲劳寿命的变异系数都偏大，表明T700/LT-03A疲劳寿命的分散性都比较大。

3 有限元分析

对 T700/LT-03A复合材料层合板进行了拉伸载荷作用下的损伤破坏仿真分析。在 ABAQUS软件中编制 USDFLD材料子程序来定义复合材料层合板的拉伸损伤失效行为。具体过程是在每一载荷步根据应力大小判断该材料积分点的损伤状态，如果满足失效准则，说明单元在该点发生失效，则降低该处的材料性能（包括强度参数和模量参数）；反之，则继续加载，逐渐增加载荷直到芯层完全损伤为止，由此实现复合材料层合板拉伸破坏的损伤分析过程[12]。

3.1 失效准则

复合材料层合板的失效采用Hashin准则，纤维拉伸失效判据

基体拉伸作者剪切失效判据

面内剪切失效判据

式中：σ1——沿纤维方向的应力分量；

σ2——横向应力；

Sr——面内剪切剩余强度；

Yr——横向剩余强度。

在子程序中定义了三个场变量Field variable（简记为FV1、FV2和FV3），该场变量用于标记材料积分点处单元的失效情况。若FV1=1，则单元发生基体失效，若 FV2=1，则单元发生剪切失效，若FV3=1，则单元发生纤维断裂失效；反之，若FV1=0，或FV2=0，或FV3=0，则表明单元没有失效。

3.2 有限元模型

层合板长110 mm，宽15 mm，采用2D Pshell单元模拟T700/LT-03A复合材料层合板，并赋予每个单元属性，单元的铺层顺序为［45°/0°/-45°/90°/0°2/45°/0°］s，每层均采用不同的材料性能，以方便实现仿真分析中各个单元性能的下降。在Patran软件中建立网格模型，共分为3×22个单元。层合板一端固定，在另一端的每一节点上施加平行于X轴方向的集中力。图7为施加了载荷和约束之后的层合板。

图7 载荷约束图Fig.7 Load constraint diagram

模型一共划分为 66个单元，对于每个单元有16个铺层，所以在仿真过程中通过程序分别给 16×66个积分单元赋予不同的材料属性。表3给出材料在室温环境下的初始属性，随着疲劳加载的进行，各单位的材料属性按照一定的规律衰减，然后通过FORTRAN程序重新给每个单位赋衰减后的材料属性。给加载点附近的单元赋予较大的刚度和强度值，消除仿真过程应力集中的影响，提高仿真模拟的准确性。

表3 LT-03A/T700复合材料的基本性能Table 3 Basic properties of LT-03A/T700 composites

3.3 仿真结果

图7列出了不同环境下的LT-03A/T700复合材料的仿真应力值。

图8 不同环境下的应力云图Fig.8 Stress nephogram in different environments

图 8中可以看出，室温下的应力值为 1 634.9 MPa，低温下的应力值为1 636 MPa，湿热环境下层合板的应力值为1 727.87 MPa。与室温下相比，湿热环境下的应力值上升了5.69%。高温湿热下层合板的疲劳循环次数远小于室温，说明随着应力值的增加，层合板的疲劳寿命，越小；反之，应力值越低，材料的疲劳寿命越大，这个结论与试验结果是一致的。

4 结 论

在室温、低温和湿热环境下，对碳纤维T700/LT-03A复合材料层合板分别开展了试验和模拟研究。静力试验研究表明：室温环境下层合板的拉伸强度高于其他两种环境，其次是低温和湿热环境；该层合板整体拉伸强度的分散性变化不大，变异系数均小于 7%，可适用于不同环境。疲劳试验和模拟结果表明：三种环境下层合板疲劳寿命的分散系数均较大，而且湿热环境下疲劳寿命远低于室温环境的疲劳寿命；温度环境对该层合板的疲劳性能影响较大，该层合板强度越高疲劳性能越低。

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Tensile Properties of T700/LT-03A Laminates Under Different Environments

LI Xiao-yu,ZHANG Yan

（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute, Shaanxi Xi’an 710089, China）

TQ 050.4

A

1671-0460（2017）09-1757-04

西北工业大学基础研究基金（批准号：JC2011025）资助。

2017-06-12

李晓宇，男，讲师，主要研究方向为先进复合材料的力学行为研究。E-mail：115553448@qq.com。