Qual è il test di comportamento dei materiali compositi?

Lo studio generale della meccanica dei materiali riguarda materiali isotropi distribuiti uniformemente, ma ora c'è un altro materiale che sta diventando sempre più ampiamente utilizzato in ingegneria chiamato materiali compositi. È un materiale anisotropico. I compositi sono materiali con nuove proprietà costituiti da due o più materiali con proprietà diverse mediante metodi fisici o chimici, e generalmente le proprietà dei compositi sono migliori delle proprietà dei loro materiali componenti. Quali sono le caratteristiche dei materiali compositi in termini di comportamento meccanico e in quali modi si manifesta l'anisotropia? Come possono i materiali anisotropi misurare le loro costanti elastiche, quali sono le differenze nelle proprietà meccaniche tra le diverse direzioni di posa delle fibre e le diverse direzioni di carico, e quali sono gli stati lungo e fuori asse?... Per facilitare lo studio di queste domande, abbiamo elaborato una piastra composita con il materiale di rinforzo stratificato lungo una direzione (come mostrato nella Figura 1). Poiché il rinforzo è unidirezionale, elude molte delle complesse questioni della ricerca composita.

Il materiale specifico studiato principalmente in questo esperimento è un composito rinforzato unidirezionale in fibra di vetro. Il modulo di elasticità della fibra di vetro è di circa 80~85 GPa e la matrice è resina epossidica, il cui modulo di elasticità è di circa 3~5 Gpa. il suo rapporto volume di fibra a resina epossidica è di circa 1; 1. sono forniti anche compositi rinforzati bidirezionali (rinforzo ortogonale) con un rapporto di 18:14 fibre in entrambe le direzioni e alcuni materiali metallici.

I. Principio sperimentale e metodo di prova

La costante elastica di un materiale è un parametro fondamentale per descrivere le proprietà meccaniche di un materiale. Come valore caratteristico per misurare la rigidità e il comportamento di deformazione elastica di un materiale, è un indice molto importante nel calcolo teorico e nella progettazione ingegneristica. Materiali familiari, come i metalli, sono materiali isotropi con due costanti elastiche indipendenti, vale a dire il modulo di elasticità E di Young e il rapporto u di Poisson (o modulo di taglio di elasticità G). I materiali compositi, d'altra parte, hanno aumentato le costanti elastiche indipendenti a causa della loro spiccata natura anisotropica. Per determinare le costanti elastiche dei compositi, il materiale in esame è stato trasformato in tre campioni con fibre a 0°, 45° e 90° alla direzione di carico. Le deformazioni in tre direzioni, cioè longitudinali, trasversali, e 45 Gli estensimetri sono collegati al ponte di misura in un certo modo e i segnali di deformazione possono essere letti direttamente dal estensimetro statico digitale in un punto fisso oppure i dati di carico e deformazione possono essere registrati automaticamente dal sistema di acquisizione dati. I dati sperimentali sono elaborati mediante regressione lineare e vengono elaborati con regressione lineare. le costanti elastiche del materiale composito sono calcolate secondo la seguente equazione:

La definizione delle coordinate è rappresentata nella figura 2. La deformazione accoppiata di taglio è una proprietà meccanica del materiale composito nello stato di tensione fuori asse. Al fine di studiare e misurare la deformazione tangenziale accoppiata, sono stati fissati estensimetri al campione nelle direzioni 0° e 90° oltre alla direzione 45°. Siamo stati in grado di comprendere la differenza e le caratteristiche dei due stati di sollecitazione del materiale composito, cioè, sollecitazione lungo asse (O°, 90°) e sollecitazione fuori asse (45°), e di misurare sperimentalmente la deformazione accoppiata di taglio.

1. Lavorazione del campione

Un campione di trazione standard viene lavorato dalla piastra composita a 0°, 45° e 90°. La forma del campione è mostrata nella figura 3 e le dimensioni nominali del campione sono t=2,5-5mm di spessore e b=25mm di larghezza e l'esemplare è rinforzato con lamiere d'acciaio di alluminio o vetro ad entrambe le estremità.

Figura 3

Il metodo di definizione del nome della provetta è il seguente:

1). Composito unidirezionale

0° campione è in direzione della fibra (longitudinale);

La provetta a 90° è perpendicolare alla direzione della fibra (trasversale);

Il campione a 45° è orientato a 45° con la fibra (45° fuori asse).

2). Composito ortogonale

0° campione è in direzione della fibra principale (longitudinale);

90° campione - perpendicolare alla direzione della fibra principale (trasversale);

Il campione a 45° è orientato a 45° verso la fibra principale (45° fuori asse).

2. Descrizione del metodo di misurazione della deformazione e dell'accoppiamento

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.

Per facilitare la misurazione dell'accoppiamento, una piastra di accoppiamento e una presa a 14 pin sono fissati sopra la posizione della toppa (vedere Figura 3). I perni superiori e inferiori della presa sono accorciati insieme, utilizzando sei gruppi di essi, per collegare i sei fili di piombo delle linguette della resistenza in ciascuna delle tre direzioni in sequenza. Per la misurazione, una fila di fili con una spina a 14 pin, la cui spina è collegata alla presa, è collegata con 12 fili, e ogni due adiacenti sono collegati tra loro, formando 6 fili di uscita corrispondenti rispettivamente ai tre estensimetri.

II. Obiettivi sperimentali:

1. padroneggiare il metodo di prova delle costanti elastiche dei materiali compositi.

2. To determine the five elastic constants of composite materials, E_1,E_2,μ_12,μ₂₁ and G_12.

3.To conoscere le caratteristiche di anisotropia dei materiali compositi.

4. per comprendere le proprietà meccaniche dei compositi in diverse direzioni di posa della fibra e diverse direzioni di carico.

5. to study the relationship between E_1,E_2,μ₁₂and μ₂₁ in the along-axis properties;

6.To studiare il fenomeno accoppiato di taglio durante il carico fuori asse.

7. Per studiare il metodo di misura della deformazione accoppiata di taglio.

III. Apparecchiature sperimentali e provette

1,Macchina di prova universale elettronica

2. Un gruppo di campioni compositi rinforzati unidirezionali

3. campioni 0°, 45° e 90° con estensimetri attaccati ai campioni.

4,Multi-channel segnale preamplificatore e sistema di acquisizione dati

5. estensimetro statico digitale multicanale;

5. 0.02mm pinze vernier.

IV. Procedura di prova

Il materiale sotto prova è un materiale composito rinforzato unidirezionale e la prestazione del campione in ogni direzione è molto diversa. Assicurarsi di prestare attenzione alla protezione del campione di prova durante il processo di installazione e caricamento. Prima della prova, si deve progettare la tabella di dati necessaria per l'esperimento, misurare accuratamente le dimensioni del campione e indicare il carico sperimentale massimo Pmax del campione in funzione dello sforzo consentito del materiale in esame e dell'intervallo di misurazione della deformazione dello estensimetro.

1. Metodo di campionamento informatico

I sei misuratori resistivi sul lato anteriore e posteriore sono collegati ai sei canali dello estensimetro statico. Ogni canale è dotato di quattro terminali, corrispondenti a A, B, C e D. La prova è eseguita in una modalità di misura a braccio singolo, con i misuratori di lavoro collegati a A e B e i misuratori di compensazione della temperatura collegati a B e C. Accendere l'alimentazione del computer, eseguire il software di insegnamento della prova di forza materiale nell'ambiente delle finestre, Selezionare "esperimento di determinazione costante dell'elasticità" per entrare automaticamente nell'esposizione del segnale di prova e nell'interfaccia di controllo della macchina di prova.

Nelle "condizioni sperimentali", impostare la natura variabile di ciascun canale estensimetro su "braccio singolo". Impostare la visualizzazione della deformazione a zero per ogni canale prima dell'esperimento. Selezionare bassa velocità, premere "Start" per caricare lentamente, il computer raccoglie e registra automaticamente il carico, lo spostamento e sei segnali di deformazione fino a raggiungere il carico massimo dell'esperimento. Premere "Fine" per interrompere automaticamente il caricamento e il campionamento. Dopo l'esperimento, i dati possono essere salvati come file di dati e copiati sul disco floppy, e i dati possono essere elaborati da altri software, oppure è possibile andare all'interfaccia di elaborazione dati e osservare le curve di relazione e, se necessario, scoprire la pendenza della curva selezionata e stampare.

2. Metodo di lettura digitale degli estensimetri

In primo luogo, selezionare il metodo di ponte, quindi collegare i cavi dello estensimetro alla scatola del ponte dello estensimetro secondo il metodo di ponte impostato. La provetta viene caricata una volta a velocità lenta e scaricata al carico iniziale. Registrare 5-10 insiemi di dati di carico e deformazione in una modalità di carico graduata. Viene selezionato il miglior set di dati e la regressione lineare viene eseguita da almeno quadrati per scoprire la pendenza della curva. Fare attenzione a selezionare l'intervallo di carico appropriato, entro il carico sperimentale massimo Pmax, e determinare il carico iniziale P e il carico finale Pyv in base alle condizioni specifiche. La velocità di carico deve essere controllata, ridurre la velocità di carico quando si avvicina ai parametri di controllo e prendere le letture in tempo. Durante la registrazione dei dati, controllare sempre se gli incrementi di deformazione sono lineari. Il test deve essere ripetuto almeno due volte e se i dati sono stabili e ripetibili devono essere buoni.

V. Organizzazione dei dati di prova

1. I dati di carico e deformazione assiale e i dati di deformazione assiale e deformazione trasversale di ogni esemplare sono elaborati con il metodo minimo quadrato.

Calculate E_1,E_2,μ_12,μ₂₁和 and G_12. for the material under test and analyze the results to discuss whether there is a quantitative relationship between the four constants of E_1,E_2,μ₁₂and μ_21.

2. secondo i parametri dei materiali testati, il modulo di elasticità della fibra di vetro E=85Gpa, il modulo di elasticità della resina epossidica E=5Gpa e il modulo di elasticità della fibra e resina epossidica E=5Gpa.

5Gpa e il rapporto volume tra fibra e resina epossidica 1:1, calcolano i valori teorici del modulo elastico E ed Ez, e li confrontano con i risultati sperimentali per analizzare le possibili ragioni delle differenze.

3. Calcolare la deformazione accoppiata yy a P=2KN per i compositi unidirezionali e ortotropici e spiegare se la deformazione di taglio

4. Può il ceppo accoppiato Yxy di taglio essere osservato direttamente o determinato accuratamente dai dati sperimentali ed è il valore sperimentale coerente con il valore calcolato e che cosa indica l'errore?

La curva di deformazione viene tracciata su carta coordinata.

5.Compare il materiale composito con il materiale metallico generale e spiegare le caratteristiche e anisotropia del materiale composito rinforzato con fibra.

6.Organize i dati e completare il rapporto sperimentale completo.