夹层结构变曲性能试验方法

1 主题内容与适用范围 本标准规定了夹层结构弯曲性能的测定方法。 本标准适用测定夹层结构承受弯曲时面板的应力和芯子的剪切应力。 本标准适用于测定夹层结构的弯曲刚度和剪切刚度。 本标准适用了测定夹层结构面板的弹性模量和芯子的剪切弹性模量。 本标准也适用于测定面板与芯子之间的胶接强度。 注:夹层结构由面板(蒙皮)与轻质芯材组成,芯材形式通常有蜂窝、波纹和泡沫。面板与芯材 的材料为金属或非金属。 2 引用标准 GB 1446 纤维增强塑料性能试验方法总则 GB 1455 夹层结构或芯子剪切性能试验方法 3 试样 3.1 试样上下面板的厚度和材料相同,其横截面为矩形。 3.2 试样厚度h与夹层结构制品厚度相同;当夹层结构制品厚度未定时,为测定芯子的剪切性 能,芯子厚度hc取15,面板厚度tf取0.3～1.0mm。 3.3 试样宽度b应小于跨距的二分之一。 3.3.1 对于硬质泡沫塑料、轻木等连续芯子,试样宽度为60mm。 3.3.2 对于蜂窝、波纹等格子型芯子,试样宽度为60mm或至少包含4个完整格子。 3.4 试样长度为跨距l加40mm或加二分之一厚度,选其中数值大者,跨距根据试验目的而定。 3.4.1 测定芯子剪切强度时,三点弯曲(见图1)的跨距应满足式(1): l≤2〔σf〕/τcb×tf……………(1) 式中:l—跨距,mm; 〔σf〕—面板的拉、压许用应力,MPa; τcb—芯子的剪切强度,MPa; tf—面板厚度,mm。 3.4.2 测定面板强度时,三点弯曲的跨距应满足式(2): l≥2σfb/〔τc〕×tf…………(2) 式中:tf、l—同式(1); σfb—面板强度,MPa; 〔τc〕—芯子的剪切许用应力,MPa。 3.4.3 测定夹层结构弯曲刚度、剪切刚度时,采用三点外伸梁弯曲(见图2),其跨距一般取式( 1)中的等式值外伸臂长度a为跨距的三分之一或二分之一。 3.4.4 对于纤维增强塑料等复合材料夹层结构,跨距、外伸臂长度等参见附录B。 3.5 对于正交各向异性的夹层结构,试样分纵向和横向两种。 3.6 试样数量按GB 1446第2章规定。 4 试验条件 4.1 试验环境条件按GB 1446第3章规定。 4.2 试验设备按GB 1446第5章规定。 4.3 加载压头及支座见图1。加载压头垫块平面部分宽度应满足10≤B≤30mm。支座处加一块 可以自由转动的垫块,平面部分的宽度应满足10≤B’≤20mm。 4.4 加载压头与试样之间应垫上一块硬质橡胶垫片,其宽度略大于压头宽度,厚度为3～5mm。 4.5 加载速度随着试样跨距、厚度及材料性能而改变。一般情况下,测强度时为2～5mm/min, 测刚度时为0.5～2mm/min。 5 试验步骤 5.1 试样制备按GB 1446第1章规定。 5.2 试样外观检查按GB 1446第2章规定。 5.3 试样状态调节按GB 1446第3章规定。 5.4 将合格试样编号。测量试样跨距内任意三处的宽度和厚度,取算术平均值。面板厚度取 名义厚度或同一批试样的平均厚度。测量精度按GB 1446第4章规定,对于格子型芯子的夹层 结构试样,记录横截面上格子壁的数目。 5.5 按选定跨距调整支座,跨中安装位移传感器,见图1。测刚度时,按三点外伸梁弯曲方法安 装三只位移传感器,见图2。 5.6 测定强度时,把试样安放在弯曲试验的支座上,加上加载压头,并在压头与试样之间垫上 一块硬质橡胶垫片,调整试验机载荷零点。按选定的加载速度,均匀连续加载直至试样破坏, 读取破坏载荷,观察并记录破坏形式。 5.7 测定刚度时,施加预加载荷(破坏载荷的15%～20%),消除试样与支座间的空隙,卸至初载( 破坏载荷的5%),调整仪表零点,然后以破坏载荷的5%为级差,按规定的加载速度,分级加载至 破坏载荷的30%～50%,记录各级载荷和相应绕度值。若需整个载荷—挠度资料,则应测到破坏 为止。如有自动记录仪表,可以连续加载。 注:①若出现载荷示值下降或停顿现象,则以此时的载荷示值作为破坏载荷。 ②芯子的剪切强度和剪切模量按GB 1455测定为宜。 6 计算 6.1 绘制载荷—挠度曲线。 6.2 芯子的剪切应力按式(3)计算: τc=P.K/2b(h-tf)………………(3) 式中:τc—芯子剪切应力,MPa; P—跨中载荷,N; b—试样宽度,mm; tf—同式(1); h—试样厚度,mm; K—无量钢数。 如果K取1,则上式不计及面板承受的剪力,当计及面板承前时,K按式(3a)计算为: K=1-e[-A]………………(3a) A=l/4tf 6Gc(h-tf)/Ef.tf…………(3b) 式中:e—自然对数的底; A—无量钢数; l,tf—同式(1); h—同式(3); Ef—面板弹性模量,MPa; Gc—芯子剪切数量,MPa。 当P为破坏载荷,破坏发生在芯子时,则式(3)计算的结果为芯子剪切强度。 当P为破坏载荷,面板与芯子脱胶时,则式(3)计算的结果为胶接剪切强度。 当P为比例极限载荷时,则式(3)计算的结果为芯子剪切比例极限。 6.3 面板应力按式(4)计算: σf=P.l/4b.tf(h-tf)…………………(4) 式中:σf—面板中的拉、压应力,MPa; l、tf—同式(1); P、b、h—同式(3)。 当P为破坏载荷,并且发生面板拉断或压缩皱折等破坏现象时,则式(4)计算的结果为夹层结构 弯曲时的面板强度。 6.4 夹层结构弯曲刚度按式(5)计算: D=l2.a.ΔP/16f1………………………(5) 式中:D—变层结构的弯曲刚度,N.mm2; l—同式(1); a—外伸臂长度,mm; ΔP—载荷—挠度曲线上直线段的载荷增量值,N; fl—对应ΔP的外伸点的挠度增量值(取左右两点的平均值),mm。 6.5 面板的弹性模量按式(6)计算: Ef=D/J…………………………(6) 式中:Ef—面板弹性模量,MPa; D—同式(5); J—夹层结构惯性矩,mm4。 J=(h3-h[3c])×b/12(1-μ2)………………(6a) 或 J=b.tf(h-tf)2/2……………………………(6b) 式中:tf—同式(1); b、h—同式(3); hc—试样芯子厚度,mm; μ—面板的泊松比。 注:式(6a)中已略去芯子的弯曲刚度:式(6b)中已略去芯子和面板本身的弯曲刚度。 6.6 夹层结构的剪切刚度按式(7)计算: U=l.ΔP/4(f-l/3a×f1)………………(7) 式中:U—夹层结构的剪切刚度,N; l—同式(1); a—外伸臂长度,mm; ΔP—同式(5); f—对应ΔP试样跨中的挠度增量值,mm; f1—同式(5)。 6.7 芯子的剪切弹性模量按式(8)计算: Gc=U/b(h-tf)…………………(8) 式中:Gc—芯子剪切弹性模量,MPa; b、tf—同式(1); h—同式(3); U—同式(7)。 6.8 蜂窝芯子的蜂壁剪切性能计算参见附录A。 7 试验结果 按GB 1446第6章规定。 8 试验报告 按GB 1446第7章。 附录A 蜂窝芯子的蜂壁剪切性能计算 (补充件) A1 蜂壁剪切应力按式(A1)计算: τs=P/2.n.ts(h-tf)…………………(A1) 式中:τs—蜂壁剪切应力,MPa; P—跨中的载荷,N; n—试样横截面上的单层蜂壁数; h—试样厚度,mm; tf—面板厚度,mm; ts—单层蜂壁厚度,mm。 当P为破坏载荷时,按式(A1)计算的结果为蜂壁剪切强度。 A2 蜂壁剪切弹性模量按式(A2)计算: Gs=U/n.ts(h-tf)………………………(A2) 式中:Gs—蜂壁剪切弹性模量,MPa; U—剪切刚度,N; n—同式(A1); ts、h、tf—同式(A1)。 A3 对于其他格子型芯子壁的剪切性能,可以按式(A1)、(A2)原理计算。 附录B 跨距参考表 (参考件) 对于纤维增强塑料等复合材料夹层结构,测芯子剪切强度的短梁跨距,三点外伸梁的跨距和外 伸臂长度,测面板强度的三点弯曲跨距的参考数值列于下表。 跨距参考表 mm ----------------------------------------- 试样厚度 h 6～10 10～20 20～40 短梁测芯子剪切强度 l 100 160 200 三点外伸梁弯曲测刚度 l 120 160 200 a 60 80 100 三点弯曲测面板强度 l ≥300 ≥400 ≥500 ----------------------------------------- 注:面板厚度小于1mm。 附加说明: 本标准由全国纤维增强塑料标准化技术委员会提出并归口。 本标准由国家建材局上海玻璃钢研究所、航空工业部北京航空材料研究所共同起草。 本标准主要起草人周祝林、王彬如、杨云娣、颜铁〓。