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标题 低温对玻璃钢复合材料拉伸性能影响
范文 芦丽丽　祁文军　王良英　陈海霞


摘 要：试验以及ANSYS workbench有限元模拟的方法研究了不同铺层的玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料在-40～80℃的低温下的弹性模量以及拉伸强度随温度变化的规律。结果表明：有限元模型能够较为精准地模拟不同温度下的拉伸过程，模拟的最大误差仅为8.06%；在-40～80℃的温度下，随着温度的上升叶根材料的纵向拉伸强度降低幅度最大，为27.07%，而层合板的纵向弹性模量只有叶根材料和蒙皮材料变化较为明显。
关键词：复合材料；高低温力学性能；性能预测
DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.006
中图分类号： TK83
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2018）04-0031-06
Abstract：Using the method of experiment and ANSYS workbench we study the different layers of glass fiber composite material`s mechanical properties under the temperature environment （from -40 to 80℃）. Material elastic modulus and tensile strength changes with temperature.Simulation results show that： Finite element model can simulate the experimental process more accurtely， and the maximum simulation error is only 8.06%. Experimental results show that as the temperature rise of glass fiber composite materials tensile strength were decreased， and the blade root materials tensile strength and the root materials elastic modulus with temperature change is most obvious， which is 27.07%. But， only hub material and skin material′s longitudinal elastic modulus obviously changed.
Keywords：composite material； mechanical property under extremely temperature； performance prediction
0 引 言
玻璃纖维增强环氧树脂基复合材料由于其密度小、强度、耐腐蚀等显著优点，常用于制造大型风力机叶片。但由于近年来，温室效应引起全球气候变暖，导致了全球气候的不稳定性，极热或极冷的天气状况出现几率日益增多，极端温度变化对玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料性能的影响已不容忽视[1]。
目前，国内外对风机叶片的研究焦点基本均集中在叶片结构性能以及疲劳寿命等问题上，考虑气温因素的影响却很少[2-6]。刘康等[2]人对纤维增强聚合物基复合材料的低温性能做了整体分析，揭示了低温环境下，纤维增强聚合物基复合材料性能的影响因素主要是基体和纤维之间的界面效应。曾红燕，翁春晓[3-4]对玻璃纤维复合材料进行超低温性能测试，结果显示低温环境下，玻璃纤维复合材料的力学性能会有一定的提升。Peeyush Bhargava[6]则通过实验数据得到不同温度下的叶片材料弹性模量和剪切强度，研究表明：复合材料和温度的关系是随着温度的升高，材料的抗拉强度、抗压强度、剪切强度和弹性模量都会下降，并且在小的变化范围内呈近似线性关系。但是温度的变化不仅能改变叶片的材料属性，也会导致叶片的应力、应变变化。
为此，作者以玻璃纤维增强环氧树脂层合板为研究对象，考虑叶片工作的实际情况，由文[13-15]可知当环境温度为-30～40℃时，由于光照或者比热容等物理因素的影响，叶片的实际工作温度为-40～80℃。因此对其在-40～80℃的温度的残余应力进行了较精确的测试。然后通过力学试验以及ANSYS workbench软件分析它的拉伸强度和弹性模量，从而为之后进行的风力发电机叶片性能分析提供可靠的依据。
1 试样制备与试验方法
1.1 试样制备
试验原料有E44（6101）双酚A型环氧树脂，雷克德高分子（天津）有限公司；玻璃纤维分别为0°，EWR2050型无碱玻纤布，±45°，EWR1050型无碱玻纤布，90°，EWR2050型无碱玻纤布，泰山玻璃纤维有限公司；Butanox M50固化剂（过氧甲基乙基酮，邻苯二甲酸二甲酯溶液）。
试验所用的所有的试样均委托青岛逸凡风力发电设备有限公司采用缠绕以及预浸料/热压工艺来制备，之后通过切割机按照《GB/T3354-2014定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》中要求的试件的尺寸进行切割。
由于在风力发电机运转的过程中，叶片各个部分所受到的载荷类型和大小均有所不同，目前在对叶片进行研究时，大多数学者将叶片分为叶根、主梁、蒙皮以及腹板4个部分[7]，如图1所示，其中叶根为与轮毂连接处。其中叶根主要承受弯曲和扭转载荷；主梁是叶片轴向上承担挥舞弯矩的主要结构；蒙皮其主要作用是承担叶片所受的扭转载荷、防止单向纤维布铺层开裂、防止叶片表面出现局部凹陷；腹板主要承受剪切载荷以及提供抗屈曲稳定性[8]。根据文[7-12]选取的铺层角度如表1所示。
1.2 试验方法
试验将编号为1～4的4种试样分别在-40℃，-5℃，25℃，40℃，80℃共计5个温度点测试可承受的最大力，每个温度点测試5个试样，之后通过试验数据计算4个温度点的拉伸强度和弹性模量。试验先将每组试样分别放入加热炉在特定的温度下保持48h后，进行力学性能测试。
拉伸试验采用 WDW10C型微机控制电子万能试验机：拉伸强度按照GB/T3354-2014测试，拉伸速率为2mm/min。
复合材料纵向拉伸强度σb计算公式为：
σb=Pmwb（1）
式中：Pm为试样工作段的断裂载荷；W、b分别为试样工作段的宽度和厚度。
纵向弹性模量E的计算公式为：
E=σε=PLwbΔL（2）
式中：P为试样的拉伸载荷，L为试样标距L=100mm，w、b分别为试样工作段的宽度和厚度，ΔL为拉伸时工作段的绝对伸长。
2 有限元模型的建立
2.1 材料的本构关系
在对复合材料进行热力学分析时，由于温度的变化对纤维的杨氏模量影响很小，其变化基本可以忽略不计，因此在考虑温度变化对复合材料性能的影响时，只考虑温度对树脂基体杨氏模量的影响，最后由HalpinTsai模型得到复合材料的材料参数。
环氧树脂材料的本构关系模型依据文[3]选用以Maxwell模型推导出的低温复合材料热力学本构关系，该模型得到的随着温度变化的环氧树脂杨氏模量具有很高的精度。环氧树脂的杨氏模量与温度的函数关系式为：
Em=3.38×2-e0.718×T-293293（3）
其中：T为温度，单位为K；Em为环氧树脂的杨氏模量，单位为GPa。
取环氧树脂常温下泊松比为0.35，得到环氧树脂的剪切模量以及热膨胀比随温度的函数关系式：
2.2 模型的建立
为了使模拟结果与真实试验效果接近，建立尺寸为250×25mm2的矩形板，采用正六面体进行网格划分，最小单元为1mm，最大为2mm，共生成1619个网格，材料参数如表2所示，之后通过ACP对试件进行铺层，层合板铺层方式如表1所示，单层板厚度为0.2mm，铺层后叶根材料性能参数如图2所示，图中所有单位均为Pa，依据该层合板，建立起有限元模型对其进行拉伸模拟。
在试验过程中，温度以及集中力载荷均对试样的性能产生影响，在ANSYS workbench中将热力学分析与静力学结构分析相结合，能够更加精确地模拟试验环境。图3为热-结构耦合后的命令树。在结构分析过程中将试样一端固定，另一端施加集中力载荷，集中力大小为试验所得最大力。图4为叶根部分25℃时等效应力云图。
3 结果与分析
将叶根、主梁、蒙皮和腹板四种试件在不同的温度下进行试验，通过试验以及模拟得到在不同温度下的拉伸强度和弹性模量，现将各个试样的试验结果分述如下。
3.1 不同温度下叶根材料的力学性能
由模拟及试验得出的不同温度条件下叶根材料拉伸强度以及弹性模量试验数据如表3所示。
将5个温度点下叶根材料的拉伸强度以及弹性模量的数据，通过简单的曲线拟合，得到叶根拟合曲线如图5和图6，所得直线方程为式（7）和式（8）。
从图5和图6中可以直观的看出，叶根材料的拉伸强度和弹性模量均与温度近似呈线性关系，并随着温度的升高而降低。此外，从表3中数据得出，ANSYS能够较为精确的模拟低温环境下复合材料的拉伸试验，最大模拟偏差仅为8.06%；对表2中数据进行简单计算可以得到叶根材料在-40～80℃的环境下，随着温度升高，拉伸强度下降27.06%，弹性模量下降20.37%。
根据MATLAB的cftool数据拟合工具拟合出的方程，可以预测当温度X取值为-40℃时，叶根材料的拉伸强度Y为389.42MPa，试验平均值为411.21MPa，两者的偏差精度为5.30%；弹性模量为31.90GPa，试验平均值为31.44GPa两者的偏差精度为1.46%。拟合方差分析见表4。
3.2 不同温度下主梁材料的力学性能
由模拟及试验得出的不同温度条件下主梁材料拉伸强度以及弹性模量试验数据如表5所示。
将5个温度点下主梁材料的拉伸强度以及弹性模量的数据，通过简单的曲线拟合式（9）和式（10）。
对主梁材料进行同样分析可得：主梁材料在-40～80℃的环境下，随着温度升高，拉伸强度下降20.31%，弹性模量下降6.27%。
根据MATLAB的cftool数据拟合工具拟合出的方程，可以预测当温度X取值为-40℃时，主梁材料的拉伸强度Y为328.97MPa，试验平均值为314.53MPa，两者的偏差精度为4.59%；弹性模量为8.70GPa，试验平均值为8.85GPa两者的偏差精度为1.69%。拟合方差分析见表6。
3.3 不同温度下蒙皮材料的力学性能
由模拟及试验得出的不同温度条件下蒙皮材料拉伸强度以及弹性模量试验数据如表7所示。
将5个温度点下蒙皮材料的拉伸强度以及弹性模量的数据，通过简单的曲线拟合，式（11）和式（12）。
3.4 不同温度下腹板材料的力学性能
由模拟及试验得出的不同温度条件下腹板材料拉伸强度以及弹性模量试验数据如表9所示。
将5个温度点下叶根材料的拉伸强度以及弹性模量的数据，通过简单的曲线拟合，公式13和公式14。
对腹板材料进行分析可得：蒙皮材料在-40℃～80℃的环境下，随着温度升高，拉伸强度下降22.85%，弹性模量下降6.89%。
根据MATLAB的cftool数据拟合工具拟合出的方程，可以预测当温度X取值为-40℃时，腹板材料的拉伸强度Y为328.17MPa，试验平均值为337.52MPa，两者的偏差精度为2.77%；弹性模量为8.91GPa，试验平均值为8.95GPa两者的偏差精度为4.63%。拟合方差分析见表10。
4 结 论
1）通过拟合曲线可以看出，不同铺层的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料在温度为-40～80℃的条件下，拉伸强度和弹性模量与温度均呈线性关系，并随着温度的升高而降低。
2）对模型试件设置材料参数、铺层角度以及层数，有限元模型能够较为精准地模拟不同温度下的拉伸过程，模拟最大误差仅为8.06%，可以用于模拟试件的低温变形行为。
3）在温度为-40～80℃的条件下，温度的升高会导致所有层合板的纵向拉伸强度有所下降，其中叶根材料下降幅度最大，为27.07%，蒙皮材料为25.46%，腹板材料为22.85%，主梁材料为20.31%。此外，随着温度的升高，主梁和腹板材料的纵向弹性模量变化并不明显，而叶根和蒙皮材料的纵向弹性模量随温度升高分别下降了20.37%和14.66%。
参 考 文 献：
[1] 于彬. 极端环境载荷对复合材料风机叶片特性影响分析[D]. 乌鲁木齐：新疆大学， 2015.
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[3] 曾红燕. 低温环境下复合材料层合板的应力分析[D].大连：大连理工大学， 2014.
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（编辑：关 毅）
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