高剪切强度复合材料层合板的剪切试验

在我的2015年10月，我比较了用于测量复合材料的剪切刚度和剪切强度的3 V-缺口剪切试验配置：V型射线剪切试验（ASTM D53791），V-缺口轨道剪切试验（ASTM D70782）和V型缺口的加载剪切试验。所有三种使用具有90°V-infches的样本，加工到中心试验部分，以产生均匀剪切应力的区域。

三种剪切试验配置之间的主要差异是试样的尺寸和形状以及负载应用方法：通过顶部和底部样本边缘（ASTM D5379），通过样本面（ASTM D7078）或两者（组合装载剪切测试）。在这里，我们将专注于剪切测试的厚，高剪切强度层压板，其中组合的装载剪切测试方法最适合。

组合加载剪切试验夹具(图1a)与v型轨剪切试验所用夹具相似，但尺寸较大，并配有螺栓可调试件边缘加载器。样品装入一个夹具的一半，使用对准夹具适当地定位它。边缘装载机螺栓拧紧，确保样品边缘与夹具接触。接下来，端面装载机的螺栓调整，使试样的中心线与夹具的中心线对齐一半，然后再拧紧。第二夹具的一半以同样的方式安装在样品的另一端。最后，边缘装载机螺栓为两个夹具一半是松的，然后再拧紧，以确保没有预负荷适用于试件边缘。装配好的夹具通过固定适配器安装在万能试验机上，并加载拉力。

虽然联合加载剪切试件的中心v型缺口区域与轨道剪切试验的v型缺口区域具有相同的几何形状，但夹持区域的长度从25 mm增加到51 mm，为边缘和面加载提供了两倍的面积。结果显示127毫米长56毫米宽的试样(图1b)在相对厚的高剪切强度层合板中产生了可接受的截面破坏，需要施加高达100 kN3的剪切载荷。

高剪切强度复合材料层合板对许多结构应用有兴趣，包括在横向荷载下承受大部分剪应力的组合梁中心腹板区域。与拉伸和压缩应力不同的是，增强纤维在应力方向上的承载效率最高(图2a)，纤维在±45°方向上的承载效率最高(图2b)。这一概念可以通过考虑旋转45°的剪应力单元来体现，表明±45°的纤维在拉伸和压缩时实际上直接承载着应力。因此，高剪切强度复合材料层合板通常具有较高的±45°层合百分比。请注意，准各向同性[0/±45/90]s层合板预期具有相对较高的剪切强度，其50%的层合板在±45°方向。

力学测试高剪切强度层合板的能力是特别重要的，因为与预测其剪切强度相关的挑战。使用层合板理论分析层合层逐渐失效4，剪切载荷多向层合板在达到其极限剪切强度之前通常会经历基体主导的层合层损伤。此外，预测的抗剪强度高度依赖于所使用的铺层破坏理论。

作为一个例子，使用[0 /±45/90] 4S准各向同性碳纤维/环氧树脂体，进行组合的加载剪切测试和层压板理论强度分析。使用三个底层故障理论预测层压剪切强度：最大应变，蔡武和哈希岛。通过减少受损底层4的相关刚度特性模拟增量剪切载荷期间产生的损伤。三个故障理论预测涂层剪切应力水平为250-443MPa的底层损伤。从剪切测试测量的最终剪切强度为346MPa3，而预测的强度为250-564MPa。

准各向同性剪切试件的破坏后状态(图3)呈现出复杂的破坏模式，不同铺层方向产生不同的破坏面。由于最大剪应力是在连接v形切口的垂直平面上产生的，因此可以合理地预计a恰当的在此垂直平面上会发生剪切失效。然而，多向层层的剪切负载产生与每个帘布层取向不同的复杂多轴应力状态。因此，在准各向同性剪切样本中观察到的相当复杂的失效模式不太令人惊讶。

有趣的是，各向同性材料也可以在剪切载荷下提供一些意外的故障。例如，图。图4显示了V型缺口环氧树脂剪切样品的试验条件。样品沿着45°的平面失效，如前所述（图2B）是如前所述的，是最大拉伸应力发生的平面。因此，在经受剪切载荷时，甚至一些各向同性材料甚至在最大剪切应力平面上也不会失效。

参考文献

¹ASTM D5379/D5379 -12，“v形缺口梁法测定复合材料剪切性能的标准试验方法”，ASTM国际(W. Conshohocken, PA, US)， 2012(1993年首次发布)。

²ASTM D7078/D7078M-12，“v型缺口钢轨剪切法对复合材料剪切性能的标准试验方法”，ASTM国际(W. Conshohocken, PA, US)， 2012(2005年首次发布)。

^3.“v型切口钢轨剪切试验中联合加载剪切试验方法和剪切应变测量的发展”，硕士论文，系。犹他大学机械工程学院，2012。

⁴吉布森，R. F.“复合材料力学原理”，第四版，CRC出版社，2016。