断裂模型： (3)
分层模型： (4)
其中 为杆件的压缩模量， ， 分别对杆件断裂强度和分层强度，上述参数均通过单杆压缩实验测得论文网站大全。芯子高度 h = 15 mm，如图7所示，其余参数b = 4 mm, d = 3 mm, w = 45° 。
对比发现所推导的理论模型能较好预报结构力学性能，只是在预报相对高密度的试验值时，误差较大，主要是因为在理论模型中很难考虑脱胶因素，其理论与试验值汇总如表一所示。
表一 试验值与理论值汇总表
Table 1 comparison betweenexperimental results and analytical values
|
试样
|
t
(mm)
|
实验失效模式
|
理论失
效模式
|
试验刚度/强度 (MPa)
|
理论刚度/强度 (MPa)
|
|
1
2
3
|
0.6
0.9
3.0
|
E
F
D
|
E
F
D
|
45.8/0.304
70.3/3.17
241.5/6.18
|
49.3/0.307
74.0/3.56
262.2/7.17
|
备注：E = 杆件屈曲; F = 杆件断裂; D = 杆件分层。
3 剪切性能研究
3.1 实验分析
参考ASTM剪切试验标准，采用INSTRON 5569对四组相对密度的试样进行剪切应变加载，发现四种典型试样的应力应变曲线和相应的实效模式，如图10所示。在加载初始阶段，应力应变曲线均呈线性变化，接着产生不同的破坏机理，导致曲线开始呈现非线性特征，对于相对密度为0.664%的试样，当应力达到0.075Mpa时，杆件发生弯曲变形，即欧拉屈曲失效。当相对密度大于1.25%时，面芯脱胶是主要的失效模式。
图10 剪切应力应变曲线及失效模式图
Fig 10. Shear response andfailure modes of carbon fiber pyramidal truss cores
3.2 理论模型
假设杆件两端固支，那么可以推导出杆件屈曲和杆件断裂的理论公式，考虑到脱胶在实验中占有很大部分，建立了脱胶预报公式，具体如下所示：
刚度模型： 
杆件屈曲： 
杆件断裂：
面芯脱胶： 
其中 、 为通过实验测得杆件的压缩模量和强度， 为胶层剪切强度， 为剪切试样长度， 为剪切试样宽度， 为单胞数量物理论文， 为单胞端头面积。
下表二中汇总了理论值和实验值，从表中可以发现理论模型能准确预报失效模型，在剪切刚度和强度预报上存在一定误差，一方面是因为实验误差，另一方面因为剪切理论模型推导忽略面板等因素。
表二 剪切载荷下刚度强度实验值与理论预报值
Table 2 Summary of the predicted and measured failureloads in shear tests
E=杆件屈曲; F=杆件断裂; D=面芯脱胶; L=杆件分层. Analyt.=理论值; Obs.=实验值.
4 结论
本文针对碳纤维复合材料金字塔点阵结构，开展了设计、制备、性能表征方面研究工作，阐述四种设计思想，采用其中长纤维铺设热压模具工艺制备试样，该工艺能最大程度发挥纤维增强潜力，经过平压和剪切试验研究其力学性能和失效破坏机理，观察到在平压下，随着相对密度的改变，存在杆件屈曲、杆件分层、杆件断裂失效模式，在低密度下具有优良的力学性能。在剪切载荷下，观察到杆件屈曲、杆件断裂、杆件分层、面芯脱胶四种失效模式，发现该工艺能提高剪切屈曲强度，然后随着相对密度增加，脱胶逐渐成为主导失效模式，使得剪切性能较弱，是未来需要解决的主要问题。
参考文献
[1]Wallach JC, Gibson LJ.Mechanical behavior of a three-dimensional truss material [J].InternationalJournal of Solids and Structures, 2001,38:7181-7196.
[2]Queheillalt DT, Wadley HNG. Titanium alloylattice truss structures [J]. Materials and Design, 2009, 30:1966-1975.
[3]Ashby MF, Brechet YJM.Designing hybrid materials [J]. Acta Materialia, 2003, 51: 5801-5821.
[4]Finnegan K, Kooistra G, Wadley HNG, Deshpande VS. Thecompressive response of carbon fiber composite pyramidal truss sandwich cores[J]. International Journal of Materials Research, 2007, 98:1264-1272.
[5]Queheillalt DT, Murty Y, Wadley HNG. Mechanical properties of anextruded pyramidal lattice truss
sandwich structure [J]. Scripta Materialia, 2007, 58: 76-79.
2/2 首页 上一页 1 2 |
