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01 背景 復(fù)合材料的開孔測試是指在指定載荷條件下對中心有通孔的樣品進(jìn)行測試，最初是在1980年代初為復(fù)合材料層壓板開發(fā)的，用于評估新型復(fù)合材料的韌性。通孔代表理想化的沖擊損壞或制造缺陷，可以對不同材料進(jìn)行韌性比較。 ASTM在2022年對兩種開口夾層測試方法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化：夾層結(jié)構(gòu)開孔壓縮 (OHC) 測試ASTM D8454 和夾層結(jié)構(gòu)開孔彎曲 (OHF) 測試ASTM D8453。 為啥兩個(gè)性能都要測
圖1 OHF 和 OHC測試的無開口和開口強(qiáng)度 02 夾層開孔壓縮 (OHC) 測試試樣尺寸變化及解讀 1990年，ASTM對復(fù)合材料層壓板的開孔測試方法進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，拉伸載荷（ASTM D5766）和壓縮載荷（ASTM D6484）。 兩種測試方法都使用36毫米寬的測試樣件，測試樣件中心有一個(gè)直徑為 6 毫米的孔，寬度與直徑 (w/D) 的比率為 6:1。除了韌性比較之外，這些測試方法還用于確定復(fù)合材料層壓板的缺口敏感性，定義為由于孔的存在而導(dǎo)致的極限強(qiáng)度或應(yīng)變許用值的降低。 當(dāng)用于材料比較時(shí)，缺口測試通常使用準(zhǔn)各向同性復(fù)合材料層壓板進(jìn)行，由相同數(shù)量的 0°、45°、-45° 和 90° 鋪層組成。 與金屬相比，即使使用當(dāng)前最先進(jìn)的有限元分析 (FEA) 方法，復(fù)合材料的缺口強(qiáng)度也極難預(yù)測，因?yàn)閺?fù)合材料孔周圍產(chǎn)生的損傷狀態(tài)比金屬孔周圍產(chǎn)生的屈服狀態(tài)復(fù)雜得多。因此，缺口測試?yán)^續(xù)用于通過實(shí)驗(yàn)確定復(fù)合材料的缺口敏感性。 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)在航空航天、軌道交通等領(lǐng)域有著較多的應(yīng)用場景，例如在某些情況下，必須增加芯層厚度以避免試樣在壓縮載荷下失穩(wěn)。 與層壓板開孔壓縮試樣類似，夾層結(jié)構(gòu)開孔壓縮試樣（圖 2）用于測試開口對復(fù)合材料性能的影響。此外，試樣幾何形狀的設(shè)計(jì)旨在最大限度地減少有限寬度和有限長度對中心孔產(chǎn)生的應(yīng)力集中的影響。
圖2 標(biāo)準(zhǔn)試樣配置（單位：mm）  盡管通孔會減少的凈截面，通常的做法是根據(jù)總截面應(yīng)力開發(fā)開口設(shè)計(jì)許用值，以考慮應(yīng)力分析中未明確考慮的各種應(yīng)力集中（缺陷、損壞等）。 因此，開孔抗壓強(qiáng)度是根據(jù)兩個(gè)面板的橫截面積計(jì)算的，忽略了通孔產(chǎn)生的面積。雖然這種測試方法也可用于測試無開口夾層試樣并確定由于開口敏感性引起的強(qiáng)度降低，但應(yīng)注意防止不良的失效模式，例如端部壓碎。 需要注意的是，無缺口夾層板抗壓強(qiáng)度的推薦測試方法仍然是ASTM C364 03 夾層開孔彎曲 (OHF) 測試試樣尺寸變化及解讀 夾層開孔彎曲 (OHF) 測試與夾層壓縮測試樣件具有相同的12 mm孔徑和 72 mm試樣寬度。 用于夾層開孔彎曲測試的四點(diǎn)彎曲載荷配置在帶開口的內(nèi)跨度上產(chǎn)生均勻的彎矩和零剪力，同時(shí)最大限度地減少外跨度的剪力。 長梁彎曲測試夾具（圖 4）使用旋轉(zhuǎn)的 25 mm寬的扁平加載塊加載夾層試樣。此外，可以在加載塊和試樣之間使用橡膠壓力墊，以防止對試樣造成局部損壞。 由于試樣中心主要存在 12 mm通孔，因此測試結(jié)果對無開口夾層彎曲試驗(yàn)中的參數(shù)影響相對較小，例如加載點(diǎn)處的失效和粗糙或不均勻的試樣邊緣。然而，由于開口對夾層試樣強(qiáng)度有顯著影響，因此需要在不損壞夾層試樣的情況下一致地制備孔，才能獲得有意義的結(jié)果。
圖4 三明治開孔彎曲試驗(yàn)夾具和試樣 在 ASTM D7249 中指定為無缺口夾層彎曲測試標(biāo)準(zhǔn)配置的 560 毫米外部支撐跨度和 100 毫米內(nèi)部加載跨度也用于夾層開孔彎曲測試。600 毫米的總試樣長度允許在外部支撐之外延伸 20 毫米。 通過測試和有限元分析，研究內(nèi)部負(fù)載跨度長度對開孔彎曲強(qiáng)度的影響，確定 100 毫米的內(nèi)部加載跨度長度足以最大程度地減少開孔應(yīng)力集中與內(nèi)部加載頭之間的相互作用。 唯一可接受的失效模式是發(fā)生在一個(gè)或兩個(gè)面板孔處的損壞，開孔強(qiáng)度是使用試樣的總寬度計(jì)算的，不考慮孔產(chǎn)生的面積。 |
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