13、纤维增强复合材料弯曲测试与力学响应分析

纤维增强复合材料弯曲测试与力学响应分析

1. 弯曲加载下的失效模式

在弯曲加载过程中，由于高正应力，部件可能会发生失效。除了弯曲应力外，剪应力与跨度L无关，而跨度与厚度之比则决定了失效模式。较大跨度下测试的试样更容易发生弯曲失效，而较小的跨度 - 厚度比则会促进剪切失效。

2. 短梁测试方法

• 三点短梁测试 ：长期以来，常用的三点弯曲加载短梁测试（SBT或短梁剪切SBS）是测定层间剪切强度（ILSS）的唯一方法，并于1965年被指定为ASTM标准。该测试通过测量试样中平面（中性轴处）的最大剪应力来确定层间剪切强度。然而，这种测试方法存在一些缺点，如厚度方向上剪应力分布不均匀、加载点处存在应力集中和高二次应力、只能确定断裂应力而无法确定弹性应变和剪切模量等。因此，它更适用于质量控制、比较数据和评估环境影响，而不是用于确定设计参数。
• 四点短梁测试 ：与三点短梁测试相比，四点短梁测试中加载力F/2的影响较小。在四点弯曲过程中，仅会发生层间剪切失效，而三点弯曲在加载辊下方还会观察到额外的损伤。层间剪切强度的比较表明，四点弯曲的强度值比三点短梁测试高约5%。

3. 双梁剪切测试

双梁剪切测试采用五点弯曲加载和三个支撑，于2018年首次被标准化。该测试除了可以测定单向复合材料的层间剪切强度外，还允许额外计算剪切模量。在五点弯曲中，外弯曲力矩的斜率是内段弯曲力矩斜率的一半，最大剪切载荷出现在中间支撑的左右两侧，是外段剪切力的两倍。理想情况下，施加的载荷会产生两个高剪切和零弯曲应力的区域，从而提供纯层间剪切。

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