GFPP玻璃鋼的SHPB實驗及動態性能分析
玻璃纖維增強塑料(玻璃鋼)由于具有較高的比強度、比模量及優秀的電、磁性能而在工業上得到越來越廣的應用。聚丙烯(PP)作為一種通用的熱塑性塑料，具有原料多、成本低、比重小、加工方便等優點，它用玻璃纖維增強后，可顯著改變其力學性能，因而它被廣泛用于航天、軍事、交通、建筑等行業。在使用中玻璃纖維增強塑料不可避免地要受到沖擊荷載的作用，因此研究其在動態下的力學行為具有重要的意義。過去有采用Charpy試驗機或落錘實驗等進行動態力學性能研究，然而，這些實驗由于未考慮慣性效應而無法得到動態下的應力～應變曲線，它們僅能提供沖擊韌性、動態破壞強度等數據。有關玻璃鋼材料的應變率效應以及它對材料各向異性的影響分析不夠。1949年Kolsky [1]次提出分離式Hopkinson壓桿(SHPB)，經過一系列的改進，該設備已被廣泛用于動態力學實驗。有關玻璃鋼的性能的研究已有一些相關的報道[2][3][4]。但GFPP玻璃鋼的SHPB實驗研究還未見到相關的結果。
本文用SHPB研究了轎車車身用GFPP玻璃鋼在不同應變率下的力學響應，結合靜態試驗數據，引用損傷演化的觀點對破壞的機制進行了分析。
1． 原理與方法
本實驗的試件取自200×10 ×10mm的板材。板材的加工是將E玻纖層平行排列，再將各層隨機疊放，用聚丙烯澆鑄而成。試件為¢10×5mm的圓柱體，取自兩個不同的方向：垂直于板面的記為S方向，順著板厚的記為L方向。為避免材料加工的分散性對實驗結果的影響，本次實驗所采用的試件都從同一塊板材上哉下。其中的準靜態壓縮實驗利用MTS-810材料實驗機完成，沖擊壓縮實驗在科學與技術大學力學與機械工程系沖擊動力學實驗室自行研制的¢14.5的SHPB上進行。
2．結果與分析
實驗結果如圖1(a)(見上頁)、(b)所示，圖中包括了兩種取向的從準 靜態（10-3/s）到動態（2*103/s）的六、七種不同應變率的應力―應變曲線。（圖中X表示試件已被壓壞）。
從原始波形圖（圖2）上可以看出材料具有典型的粘彈性。對一般的金屬類彈塑性材料而言，當加載完成進入卸載時，透射波上的A點應迅速卸到零，而實測波形卻是沿AB緩慢卸載的。這表明試件的應力并不是按彈性卸載規律迅速卸到零，而是緩慢卸載的，這反映了這種材料的粘彈性。另外，從應力-應變曲線也可看出材料具有典型的粘彈性特性。圖1（a）、（b）的應力一應變曲線呈現明顯的遲滯回路，應力達到 大值并開始卸載時，應變仍繼續增加。后從試件的實際變形來看，只要試件沒有破壞，都能夠完全恢復，即幾乎沒有殘余應變。所以我們所研究GFPP玻璃鋼是一種典型的粘彈性材料。
應變率效應是一切粘彈性材料均具有的特性，而且這種應變率敏感程度遠大于金屬類的彈塑性材料，對于后者來說，其流動應力的明顯變化，我們的實驗結果（圖1）證明了這一點。結果表明，GFPP玻璃鋼材料無論是L方向還是S方向，都表現了明顯的應變率效應。隨著應變率的提高，材料的承載能力增大，流動應力增加，對應的彈性模量也有所增加。
玻璃鋼材料由于纖維的鋪層排列不同，必然表現出其宏觀力學性能的各向異性。交大所提供的GFPP玻璃鋼應是：垂直于板面方向（S方向）是一種特性，而順著板面方向是另一種特性，即是一種橫觀各向同性材料。這一點在我們的動靜態壓縮實驗中也表現得十分明顯。
實驗結果表明，在靜態和較低的應變率時，S方向的承載能力要比L方向低，彈懷模量比L方同的?。▓D4(a)）。而在較高的應變率下，出現了與上面相反的情形（圖4(b)）。在同為1300/S的應變率下，L方向的材料被破壞，而S方向沒有破壞，且S方向的應力―應變曲線在L方向的上方。在1800/S（2000/S）的應變率下也有類似的情況：在破壞之前，S1的應力―應變曲線在L1上方，雖然兩者都發生破壞，但S1的破壞應力和破壞應變都較大。另外，材料的各向異性還表現在兩者的破壞形貌不一樣：L方向的試件破壞時，截面由圓形變成橢圓形，并發生層間開裂；裂紋沿一個方向，與圓截面呈45度角，纖維方向的變形量很小。而S方向的試件破壞時，截面仍保持為平整的圓形，既無層間開裂，裂紋面也不是單向的，而是各個方向都有，殘留的試件類似于錐角為45度的圓臺。很明顯，這是兩種不同的破壞機制造成的破壞。
以上表現出來的變形和破壞的各向異懷是與GFPP玻璃鋼內部輔層結構有關。對S方向的試件，層內纖維作為一個整體被壓縮，軸向的應變主要是由層間墻報基體產生的。而相對玻璃纖維而言，基體的彈性模量要小的多，所以S方向要顯的軟一些。而對L方向，壓力由基體和纖維共同承擔，而玻璃纖維具有相當高的抗壓強度，所以L方向顯得要硬一些，彈性模量也大一些。然而在纖維層與基體之間不可避免的存在著微裂紋和微空洞等缺陷（即損傷），這些損傷在沖擊載荷作用下發展演化，這種發展演化除了與應變有關外，還與應變率有關。當應變率超過某個范圍，這些損傷迅速演化，導致纖維層界面脫膠，發生動態屈曲，從而使整體的承載能力下降，出現了如圖4(b)所示的反?，F象。
S方向的破壞主要是由剪應力所致，當外力作用產生的剪應力超過基體的剪切強度時，試件將產生45度方向的裂紋，而玻離纖維的抗折能力較弱，玻璃纖維的存在未能阻止裂紋沿45度方向的發展，所以形成的是45度錐角的圓臺。而L方向試件破壞機制較為復雜。由于泊松效應而引起的橫向應力超過界面的粘結承受能力，使界面脫膠，產生開裂，形成了橢圓形的長軸，破壞試件的端面上會出現一些沿纖維方向的裂紋。而沿纖維方同的應變由于其承載能力較強，因此泊松效應對它不起多大的影響，不可能把它拉斷，而且基本上沒有殘余應變。雖然靜態實驗也會出現類似的裂紋，但數量極砂。這是由于在靜態壓縮時，纖維層與基體之間的微裂紋、空洞等缺陷的影響并不明顯；而在高應變率的加載條件下，這些缺陷迅速發展演化并沿纖維層的排列方向擴展而產生宏觀裂紋。
根據上面的分析，在沖擊載荷作用下，S方向的變形與破壞主要是由基體的強度決定的，而L方向的變形和破壞不僅是由基體和纖維強度決定，還是由它們的組成結構、基體和纖維層界面的粘結程度決定的。
3、結論
3.1 和其他玻璃鋼一樣，GFPP玻璃鋼也是一種典型的粘彈性材料，其動態的應力―應變曲線呈現出明顯的遲滯回路，卸載后仍有應變發展。沖擊實驗之后，只要試件沒有破壞，都能完全恢復，沒有殘余應變。另外，GFPP玻璃鋼的應變率效應要比金屬類彈塑性材料敏感得多。
3.2 GFPP玻璃鋼材料的各向異性在沖擊載荷下表現得更為明顯，這里除了纖維的排列和鋪層等因素外，層間的微裂紋和空洞等缺陷的發展演化也是一個重要的原因。這種缺陷的發展演化除了與應變有關，還與應變率有關。缺陷的發展演化將導致材料的軟化和破壞。
本文用SHPB研究了轎車車身用GFPP玻璃鋼在不同應變率下的力學響應，結合靜態試驗數據，引用損傷演化的觀點對破壞的機制進行了分析。
1． 原理與方法
本實驗的試件取自200×10 ×10mm的板材。板材的加工是將E玻纖層平行排列，再將各層隨機疊放，用聚丙烯澆鑄而成。試件為¢10×5mm的圓柱體，取自兩個不同的方向：垂直于板面的記為S方向，順著板厚的記為L方向。為避免材料加工的分散性對實驗結果的影響，本次實驗所采用的試件都從同一塊板材上哉下。其中的準靜態壓縮實驗利用MTS-810材料實驗機完成，沖擊壓縮實驗在科學與技術大學力學與機械工程系沖擊動力學實驗室自行研制的¢14.5的SHPB上進行。
2．結果與分析
實驗結果如圖1(a)(見上頁)、(b)所示，圖中包括了兩種取向的從準 靜態（10-3/s）到動態（2*103/s）的六、七種不同應變率的應力―應變曲線。（圖中X表示試件已被壓壞）。
從原始波形圖（圖2）上可以看出材料具有典型的粘彈性。對一般的金屬類彈塑性材料而言，當加載完成進入卸載時，透射波上的A點應迅速卸到零，而實測波形卻是沿AB緩慢卸載的。這表明試件的應力并不是按彈性卸載規律迅速卸到零，而是緩慢卸載的，這反映了這種材料的粘彈性。另外，從應力-應變曲線也可看出材料具有典型的粘彈性特性。圖1（a）、（b）的應力一應變曲線呈現明顯的遲滯回路，應力達到 大值并開始卸載時，應變仍繼續增加。后從試件的實際變形來看，只要試件沒有破壞，都能夠完全恢復，即幾乎沒有殘余應變。所以我們所研究GFPP玻璃鋼是一種典型的粘彈性材料。
應變率效應是一切粘彈性材料均具有的特性，而且這種應變率敏感程度遠大于金屬類的彈塑性材料，對于后者來說，其流動應力的明顯變化，我們的實驗結果（圖1）證明了這一點。結果表明，GFPP玻璃鋼材料無論是L方向還是S方向，都表現了明顯的應變率效應。隨著應變率的提高，材料的承載能力增大，流動應力增加，對應的彈性模量也有所增加。
玻璃鋼材料由于纖維的鋪層排列不同，必然表現出其宏觀力學性能的各向異性。交大所提供的GFPP玻璃鋼應是：垂直于板面方向（S方向）是一種特性，而順著板面方向是另一種特性，即是一種橫觀各向同性材料。這一點在我們的動靜態壓縮實驗中也表現得十分明顯。
實驗結果表明，在靜態和較低的應變率時，S方向的承載能力要比L方向低，彈懷模量比L方同的?。▓D4(a)）。而在較高的應變率下，出現了與上面相反的情形（圖4(b)）。在同為1300/S的應變率下，L方向的材料被破壞，而S方向沒有破壞，且S方向的應力―應變曲線在L方向的上方。在1800/S（2000/S）的應變率下也有類似的情況：在破壞之前，S1的應力―應變曲線在L1上方，雖然兩者都發生破壞，但S1的破壞應力和破壞應變都較大。另外，材料的各向異性還表現在兩者的破壞形貌不一樣：L方向的試件破壞時，截面由圓形變成橢圓形，并發生層間開裂；裂紋沿一個方向，與圓截面呈45度角，纖維方向的變形量很小。而S方向的試件破壞時，截面仍保持為平整的圓形，既無層間開裂，裂紋面也不是單向的，而是各個方向都有，殘留的試件類似于錐角為45度的圓臺。很明顯，這是兩種不同的破壞機制造成的破壞。
以上表現出來的變形和破壞的各向異懷是與GFPP玻璃鋼內部輔層結構有關。對S方向的試件，層內纖維作為一個整體被壓縮，軸向的應變主要是由層間墻報基體產生的。而相對玻璃纖維而言，基體的彈性模量要小的多，所以S方向要顯的軟一些。而對L方向，壓力由基體和纖維共同承擔，而玻璃纖維具有相當高的抗壓強度，所以L方向顯得要硬一些，彈性模量也大一些。然而在纖維層與基體之間不可避免的存在著微裂紋和微空洞等缺陷（即損傷），這些損傷在沖擊載荷作用下發展演化，這種發展演化除了與應變有關外，還與應變率有關。當應變率超過某個范圍，這些損傷迅速演化，導致纖維層界面脫膠，發生動態屈曲，從而使整體的承載能力下降，出現了如圖4(b)所示的反?，F象。
S方向的破壞主要是由剪應力所致，當外力作用產生的剪應力超過基體的剪切強度時，試件將產生45度方向的裂紋，而玻離纖維的抗折能力較弱，玻璃纖維的存在未能阻止裂紋沿45度方向的發展，所以形成的是45度錐角的圓臺。而L方向試件破壞機制較為復雜。由于泊松效應而引起的橫向應力超過界面的粘結承受能力，使界面脫膠，產生開裂，形成了橢圓形的長軸，破壞試件的端面上會出現一些沿纖維方向的裂紋。而沿纖維方同的應變由于其承載能力較強，因此泊松效應對它不起多大的影響，不可能把它拉斷，而且基本上沒有殘余應變。雖然靜態實驗也會出現類似的裂紋，但數量極砂。這是由于在靜態壓縮時，纖維層與基體之間的微裂紋、空洞等缺陷的影響并不明顯；而在高應變率的加載條件下，這些缺陷迅速發展演化并沿纖維層的排列方向擴展而產生宏觀裂紋。
根據上面的分析，在沖擊載荷作用下，S方向的變形與破壞主要是由基體的強度決定的，而L方向的變形和破壞不僅是由基體和纖維強度決定，還是由它們的組成結構、基體和纖維層界面的粘結程度決定的。
3、結論
3.1 和其他玻璃鋼一樣，GFPP玻璃鋼也是一種典型的粘彈性材料，其動態的應力―應變曲線呈現出明顯的遲滯回路，卸載后仍有應變發展。沖擊實驗之后，只要試件沒有破壞，都能完全恢復，沒有殘余應變。另外，GFPP玻璃鋼的應變率效應要比金屬類彈塑性材料敏感得多。
3.2 GFPP玻璃鋼材料的各向異性在沖擊載荷下表現得更為明顯，這里除了纖維的排列和鋪層等因素外，層間的微裂紋和空洞等缺陷的發展演化也是一個重要的原因。這種缺陷的發展演化除了與應變有關，還與應變率有關。缺陷的發展演化將導致材料的軟化和破壞。
