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摘 要

连续纤维增强复合材料的最基本的力学性能之一是单向（UD）复合材料在纤维方向上的极限拉伸强度。因此，合理测量UD复合材料在纤维方向上的拉伸强度对于复合材料的设计和应用具有重要意义。在单向（UD）碳纤维增强热塑性聚酰胺-6（CF / PA6）拉伸试验中，在拉伸端部会产生应力集中现象。本研究提出了一种端部加强片的新设计，这种新加强片的长度与UD CF / PA6试样的长度相同，避免了常规加强片样本中存在的几何形状突然变化的现象，以降低拉伸端的应力集中现象。分别对新加强片和常规加强片的UD试样拉伸试验进行有限元模拟。提取实验的仿真结果，对比新型加强片和常规加强片的应力大小和分布情况，新的加强片设计可以将接片端附近的应力集中降低18％左右，并改善了UD热塑性复合材料层压板拉伸强度的估算。

关键词：UD层压板，拉伸试验，加强片设计，热塑性复合材料

The new design of end-tab for the tensile testing fiber reinforce thermoplastic polymer composites

ABSTRACT

One of the most basic mechanical properties of continuous fiber reinforced composite materials is the ultimate tensile strength of unidirectional (UD) composite materials in the fiber direction. Therefore, reasonable measurement of tensile strength of UD composite materials in the fiber direction is important for the design and application of composite materials. There is stress concentration at the tab end in the tensile testing of unidirectional (UD) carbon fiber reinforced thermoplastic polyamide-6 (CF/PA6).This study proposes a new design of end-tab for the tensile testing of unidirectional (UD) carbon fiber reinforced thermoplastic polyamide-6 (CF/PA6)，The new tab has the same length as the UD CF/PA6 specimen to avoid the sudden change of geometry as seen in conventional tabbed specimens to reduce stress concentration at the tab end. Finite element simulations of tensile testing for UD specimens with new and conventional tabs are carried out. Experimental and simulation results demonstrate that the new tab design can reduce the stress concentration near the tab end by about 18% and improve the estimation of tensile strength of UD thermoplastic composite laminates.

Keywords: UD laminate, Tensile testing, End-tab design, Thermoplastic composites

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 研究意义和经济性分析 2

1.3 研究现状 3

1.4 研究内容 6

第二章 复合材料基础知识 8

2.1 复合材料概述 8

2.2 碳纤维增强热塑性聚合物复合材料 10

第三章 有限元模型的建立 12

3.1 拉伸模型几何模型建立与材料定义 12

3.2边界条件与载荷工况 15

第四章 结果讨论与分析 16

4.1 应力分布图 16

4.2 应力曲线分析 17

第五章 结论 20

参考文献 21

致 谢 25

第一章 绪论

1.1引言
近些年来，纤维增强热塑性树脂复合材料得到了广泛的应用，关于这种性能优异的复合材料的研究更是热门。碳纤维增强复合材料是用树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或 橡胶等作基体，并用碳纤维或碳 纤维织物增强它的力学性能，所形成的复合材料[1]。碳纤维(CF)是一种新式的高分子无机纤维材料，碳的含量大概有百分之九十，在20世纪50年代开始，经历了70年的发展，种类越来越多，力学性 能越来越优异，工业化 生产规模逐 渐变大，应用场合也越来越多，生产利用技术渐变成熟，远远优于其他的新式材料。如图1-1为2016年全球碳纤维需求。由于碳纤维具有高强度、高弹性模量、优良的热学性能、化学稳定性能好。因此用纤维增强的热塑性复合材料可使复合材料的弹性模量变高、强度变高、耐侵蚀性变好、耐热性增加[2,3]。桥梁隧道、航空航天、船舶汽车、化学工业设备、体育用品及医疗设备等很多个行业都应用了纤维增强热塑性复合材料[4]。碳纤增强热塑性复合材料除了其具有以上优良特性之外，这种材料还可以回收再进行二次利用等其他优点，对降低环境污染也起到了积极的作用，因此需要对该材料进行深入研究。

1.2 研究意义和经济性分析

1.2.1 研究意义

碳纤维增强树脂基复合材料以其优异的高比模量、高比强度、耐疲劳、耐腐蚀及热膨胀系数低等优点使其成为了继钛合金之后航空航天领域广泛应用的材料。如图1-2为空客A380复合材料应用情况[6]。这种材料在满足运载工具承载能力的要求的同时，还可以运载工具更加轻量化，不仅可以节约能源，更是可以提高交通速度。碳纤维增强复合材料所制备的构件也正经历着从非承力构件到承力构件的转变，从简单构件到复杂构件的转变。复合材料由于其正交各向异性及层间性能远低于层内性能，其力学性能远不同于金属材料。关于对复合材料力学性能的准确表征决定着结构件的寿命及安全性问题[7]。

连续纤维增强复合材料的最基本的力学性能之一是单向（UD）复合材料在纤维方向上的极限拉伸强度。因此，合理测量UD复合材料在纤维方向上的拉伸强度对于复合材料的设计和应用具有重要意义。在传统的均质和各向同性材料（如各种金属和塑料）的情况下，用于拉伸测试的样品可以容易地加工成哑铃状，并且预期在样品的中间部分会失效。但是，在连续纤维增强复合材料的情况下，难以将单向复合层压材料的试样加工成哑铃状，因为将UD样本加工成哑铃状会导致样本中的纤维从宽的夹持区域到中间区域不连续。另外，加工复合材料容易在加工表面附近引起各种损伤，这可能降低试样的抗拉强度[8]。加工复合材料的成形样品的高成本也是缺点。由于这些原因，国家和国际上的各种标准[9-13]都建议使用端部接头的扁平和直边试样几何形状来防止夹装失效。然而，在加强片样本中，由于加强片/试样界面的几何形状变化以及材料弹性常数的差异，加强片端部附近存在高应力集中。加强片端部周围的高应力集中，可能会导致加强片端部附近的样品失效，使得拉伸试验得到的拉伸强度低于它的真实的拉伸强度。研究新加强片可以使应力集中程度降到最低，从而使材料的强度得到更一致和更准确的结果。

1.2.2经济性分析

先进复合材料的特点是比重低、高弹性模量、高强度，比模量、比强度比铝合金大。由于可以通过选择纤维排列方向、铺层构成得到要求的刚度、强度，所以可以根据外力状况进行材料的设计。由于部件的大型化，桁条与外板的一体化成型减少了连接件的数量，从而能做到产品的轻量化。实际上用复合材料代替金属可以节重百分之二十到三十。如果用现在的铝合金，只能节重百分之五左右。可见复合材料的作用很大。

大型客机的起飞重量一半为机体的重量，从中出去发动机和设备，机体的结构重量约为30%。由于结构重量的轻量化直接影响燃料的减少，也影响发动机和机翼及着陆架的小型化，所以降低1%结构重量，起飞重量可以减少2-5%。在美国航空发展咨询委员会计划中，用先进复合材料代替同结构的金属制品，结构重量可以减轻13%。如果按照先进复合材料的特点进行飞机设计，结构重量甚至可以减少36%，起飞重量可减少26%。A310机使用了2000kg复合材料结构，使飞机减轻了397kg。对于短距离运行的情况，每年3000飞行小时，20年期间可以节约燃料600t以上。

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