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¿Cuáles son las pruebas de rendimiento de los compuestos?

El estudio general de la mecánica de materiales se refiere a los materiales isotrópicos distribuidos uniformemente, pero ahora hay otro material que se utiliza cada vez más ampliamente en la ingeniería, llamado compuesto. Es un material anisotrópico. Los materiales compuestos son compuestos de dos o más materiales con diferentes propiedades por métodos físicos o químicos con nuevas propiedades. Por lo general, las propiedades de los materiales compuestos son mejores que las de los materiales compuestos. ¿En cuanto al comportamiento mecánico, cuáles son las características de los compuestos y cómo se expresa la anisotropía? ¿Cómo se miden las constantes elásticas de los materiales anisotrópicos, cuál es la diferencia de propiedades mecánicas entre diferentes direcciones de propagación de fibra y diferentes direcciones de carga, y cuál es el Estado a lo largo del eje y fuera del eje? Para facilitar el estudio de estos problemas, fabricamos una placa compuesta en la que el material de refuerzo se estratificado en una dirección (como se muestra en la figura 1). Debido a que la barra de acero es unidireccional, se evitan muchos problemas complejos en la investigación de materiales compuestos.


Los compuestos unidireccionales reforzados con fibra de vidrio se estudian principalmente en este experimento. El Módulo elástico de la fibra de vidrio es de aproximadamente 80 - 85 GPA, la matriz es resina epoxi, y el Módulo elástico es de aproximadamente 3 - 5 GPA. La relación de volumen entre la fibra y la resina epoxi es de aproximadamente 1; La invención también proporciona un compuesto de refuerzo bidireccional (refuerzo ortogonal), una relación de fibra bidireccional de 18: 14, y algunos materiales metálicos.


Principios y métodos experimentales

Las constantes elásticas de los materiales son parámetros básicos para describir las propiedades mecánicas de los materiales. Como valor característico para medir la rigidez del material y el comportamiento de deformación elástica, es un índice muy importante en el cálculo teórico y el diseño de ingeniería. Los materiales comunes, como los metales, son materiales isotrópicos con dos constantes elásticas independientes, a saber, el módulo de Young e y la relación de Poisson u (o el módulo de cizallamiento g). Por otro lado, debido a su notable anisotropía, los compuestos aumentan sus constantes elásticas independientes. Con el fin de determinar la constante elástica del compuesto, el material de prueba se procesa en tres muestras, y la fibra y la dirección de carga son 0°, 45° y 90°. Deformación en tres direcciones, es decir, longitudinal, transversal, Y 45 "La dirección de cada muestra se mide mediante la aplicación de un ohmmeter. El calibrador de deformación está conectado de alguna manera al puente de medición, y la señal de deformación se puede leer directamente desde el calibrador de deformación estática digital en un punto fijo, o los datos de carga y deformación se pueden registrar automáticamente a través del Sistema de adquisición de datos. Los datos experimentales se obtienen mediante regresión lineal y Las constantes elásticas de los compuestos se calculan de acuerdo con la siguiente ecuación:


La definición de coordenadas se muestra en la figura 2. La deformación de corte acoplada es la propiedad mecánica de los compuestos bajo estrés fuera del eje. Con el fin de estudiar y medir la deformación tangencial acoplada, se instalaron medidores de deformación en muestras de 0° y 90° además de la dirección de 45°. Podemos entender las diferencias y características de los dos Estados de estrés de los compuestos, es decir, el estrés a lo largo del eje (o°, 90°) y el estrés fuera del eje (45°), y medir la tensión de corte acoplada a través de experimentos.

1. Tratamiento de muestras

Las muestras de tracción estándar se fabrican a partir de placas compuestas de 0°, 45° y 90°. La forma de la muestra se muestra en la figura 3. Las dimensiones nominales de la muestra son de espesor t = 2,5 - 5 mm y anchura b = 25 mm. ambos extremos de la muestra se fortalecen con lámina de aluminio o vidrio.

Figura 3


El nombre de la muestra se define de la siguiente manera:

1). Compuestos unidireccionales

La muestra de 0° se encuentra en la dirección de la fibra (longitudinal);

La muestra de 90° es perpendicular a la dirección de la fibra (transversal);

La muestra de 45° está orientada a la fibra óptica (45° fuera del eje).

2). Combinación ortogonal

La muestra de 0° se encuentra en la dirección de la fibra principal (longitudinal);

90° espécimen - perpendicular a la dirección de la fibra principal (transversal);

La muestra de 45° está en un ángulo de 45° con la fibra principal (45° fuera del eje).


2. Método de medición de la deformación y descripción del acoplamiento

The strain of the specimen is measured by resistance strain gauges. The resistance value of the resistance gauges is 120Q, the sensitivity coefficient K g is 2.08, and the transverse correction coefficient H=1.2%. The resistance gauges are symmetrically pasted on the front and back sides of the specimen, and three resistance gauges are arranged on each side in the directions of 0. (loading direction), 90° (vertical loading direction) and 45° (45° from the loading direction) ε090 and ε45.


Para facilitar la medición del acoplamiento, fije la placa de acoplamiento y el enchufe de 14 Pines por encima de la posición del parche (ver figura 3). Los pines superior e inferior de los enchufes se cortan juntos, utilizando seis grupos de pines, conectando secuencialmente seis cables de plomo en las pestañas de resistencia en cada una de las tres direcciones. Durante la medición, una fila de cables con enchufes de 14 Pines está conectada a un enchufe y 12 cables están conectados, cada uno de los cuales está conectado con dos cables adyacentes para formar seis cables de salida correspondientes a tres medidores de deformación.

II. Objetivos experimentales:

1. Dominar el método de medición de la constante elástica de los materiales compuestos.

2. To determine the five elastic constants of composite materials, E1,E2,μ12,μ21 and G12.

3. Entender las características anisotrópicas de los compuestos.

4. Entender las propiedades mecánicas de los compuestos bajo diferentes direcciones de recubrimiento de fibra y diferentes direcciones de carga.

5. to study the relationship between E1,E2,μ12and μ21 in the along-axis properties;

6. Estudiar el fenómeno de corte acoplado en el proceso de carga fuera del eje.

7. Estudiar el método de medición de la deformación de corte acoplada.


Equipo experimental y probetas

1. Máquina de ensayo electrónica universal

2. Un grupo de especímenes compuestos reforzados unidireccionalmente

Las muestras de 3,0°, 45° y 90° están conectadas con manómetros de deformación.

4. Preamplificador de señales multiplex y sistema de adquisición de datos

5. Manómetro estático digital multicanal;

Calibrador Vernier de 5,0,02 mm.


Procedimientos de ensayo

Los materiales probados son compuestos unidireccionales reforzados, y las propiedades de las muestras en cada dirección son muy diferentes. Tenga cuidado de proteger las muestras durante la instalación y la carga. Antes del ensayo, se diseñarán las hojas de datos necesarias para el ensayo, se medirá con precisión el tamaño de la muestra y se dará la carga máxima de ensayo pmax de la muestra de acuerdo con el esfuerzo admisible del material de ensayo y el rango de medición de la deformación del manómetro.

1. Método de muestreo informático

Los seis medidores de resistencia en la parte delantera y trasera están conectados a los seis canales del calibrador de deformación estática. Cada canal está equipado con cuatro terminales correspondientes a A, B, C y D. Las pruebas se realizan en modo de medición de un solo brazo, los instrumentos de trabajo están conectados a A y B, y los instrumentos de compensación de temperatura están conectados a B y C. encienda la fuente de alimentación del ordenador y ejecute el Software de enseñanza de pruebas de fuerza de materiales en el entorno Windows. Seleccione el "experimento de medición de la constante elástica" para entrar automáticamente en la pantalla de la señal de prueba y la interfaz de control de la máquina de prueba.

En "condiciones experimentales", las propiedades variables de cada canal de Gage de deformación se establecen como "un solo brazo". Antes del experimento, la pantalla de deformación de cada canal se establece en cero. Seleccione baja velocidad, presione "inicio" carga lenta, el ordenador recoge y registra automáticamente la carga, el desplazamiento y las seis señales de deformación hasta que se alcance la carga máxima del experimento. Pulse finalizar para detener automáticamente la carga y el muestreo. Después del experimento, los datos pueden ser guardados como archivos de datos y copiados al disquete. Los datos pueden ser procesados por otro software, o pueden entrar en la interfaz de procesamiento de datos para observar la curva de relación. Si es necesario, la pendiente de la curva seleccionada se puede encontrar e imprimir.


2. Método de lectura del manómetro digital

En primer lugar, seleccione el método de puente, y luego conecte el plomo del calibrador de deformación a la Caja de puente del calibrador de deformación de acuerdo con el método de puente establecido. La muestra se carga una vez a baja velocidad y se descarga a la carga inicial. Se registraron 5 - 10 conjuntos de datos de carga y deformación en modo de carga escalonada. La pendiente de la curva se puede encontrar seleccionando el mejor conjunto de datos y haciendo regresión lineal por el método de mínimos cuadrados. Tenga en cuenta que el rango de carga adecuado se selecciona dentro de la carga experimental máxima pmax, y la carga inicial P y la carga final pyv se determinan de acuerdo con las condiciones específicas. La velocidad de carga debe controlarse para reducir la velocidad de carga al acercarse a los parámetros de control, y las lecturas deben leerse a tiempo. Al registrar los datos, siempre compruebe si el incremento de deformación es lineal. El ensayo se repetirá al menos dos veces y los resultados serán satisfactorios si los datos son estables y reproducibles.


Organización de los datos de ensayo

1. Los datos de carga y deformación axial, as í como los datos de deformación axial y transversal de cada muestra se procesan mediante el método de mínimos cuadrados.

Calculate E1,E2,μ12,μ21和 and G12. for the material under test and analyze the results to discuss whether there is a quantitative relationship between the four constants of E1,E2,μ12and μ21.

2. De acuerdo con los parámetros del material medido, el Módulo elástico de la fibra de vidrio e = 85 GPA, el Módulo elástico de la resina epoxi e = 5 GPA, el Módulo elástico de la fibra y la resina epoxi e = 5 GPA.

La relación de volumen de 5gpa y fibra a resina epoxi es de 1: 1. Se calculan los valores teóricos del Módulo elástico e y ez, y se comparan con los resultados experimentales para analizar las posibles razones de la diferencia.

3. Calcular la deformación de corte acoplada yy de compuestos anisotrópicos unidireccionales y ortotrópicos a P = 2kn y explicar si la deformación de Corte es

¿4. Puede la deformación de corte acoplada YXY ser observada directamente o determinada con precisión a partir de los datos experimentales, si los valores experimentales son consistentes con los calculados, y qué indica el error?

La curva de deformación se dibuja en el papel de coordenadas.

5. Compare los compuestos con los materiales metálicos comunes y explique las propiedades y anisotropía de los compuestos reforzados con fibra.

6. Organizar los datos y completar el informe del experimento.