玻璃纤维/乙烯基酯复合材料静动态力学行为及损伤本构研究

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相较于金属材料,复合材料具有轻质、耐磨损、耐腐蚀等特点,被广泛应用于航空航天、电子信息、汽车和工程机械等领域。其中玻璃纤维增强复合材料(GFRP)常被用于轻量化抗冲击结构,如汽车保险杠、建筑基材等。由于GFRP复合材料具有各向异性特征,且不同制备方式得到的材料结构差异较大,导致冲击载荷下的力学行为与损伤演化复杂多变,因此研究其静动态力学性能,开展材料动态失效分析并进行损伤本构建模对于材料优选及冲击损伤评估至关重要。同时,静动态力学行为与冲击损伤研究还可为材料设计优化提供基础参数。本文选取E型玻纤直纱为增强纤维,乙烯基酯树脂作为基体,制备了玻璃纤维质量分数分别为55%、60%、65%、70%、75%的单向连续GF/VE进行实验研究。在室温条件下,使用MTS Landmark 370.5型电液伺服实验系统对五种玻纤质量分数的GF/VE试样进行应变率为5×10-44 s-1的准静态单轴压缩实验。结果表明:GF/VE试件的失效均为脆性破坏,试件在与加载轴呈45°角的平面内发生位错,且沿载荷方向发生纵向劈裂。随着玻璃纤维质量分数的增加,材料的弹性模量和最大抗压强度不断提高,最大应变不断减小。在室温条件下,使用霍普金森压杆(SHPB)实验装置分别对五种玻纤质量分数的GF/VE试样进行应变率约为1100s-1、1300s-1、1500s-1、1700s-1、1900s-1的动态压缩实验。结果表明:提高玻璃纤维含量会降低材料的韧性;材料的峰值应力随着应变率的增大而提高;发生完全破坏的试件,其应力应变曲线呈现三个区间,对应三个阶段,分别为:基体压实硬化阶段、弹性阶段、屈服软化阶段。结合动态实验波形图分析了高应变率下GF/VE的破坏形式与能量吸收的关系,并利用扫描电镜(SEM)对1300 s-1和1900 s-1应变率下玻璃纤维质量分数为55%、65%、75%的三种GF/VE失效试件进行断面形貌观测,从细观层面揭示了材料的动态损伤演化机理。最后使用含有损伤因子的ZWT本构模型对玻纤质量分数为60%和70%的GF/VE材料达到极限应力前的实验数据进行参数拟合,吻合度较高,表明含有损伤因子的ZWT本构模型适用于GF/VE材料的力学行为描述。图[33]表[9]参[79]
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