GFPP玻璃钢的SHPB实验及动态性能分析
玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)由于具有较高的比强度、比模量及优秀的电、磁性能而在工业上得到越来越广的应用。聚丙烯(PP)作为一种通用的热塑性塑料，具有原料多、成本低、比重小、加工方便等优点，它用玻璃纤维增强后，可显著改变其力学性能，因而它被广泛用于航天、军事、交通、建筑等行业。在使用中玻璃纤维增强塑料不可避免地要受到冲击荷载的作用，因此研究其在动态下的力学行为具有重要的意义。过去有采用Charpy试验机或落锤实验等进行动态力学性能研究，然而，这些实验由于未考虑惯性效应而无法得到动态下的应力～应变曲线，它们仅能提供冲击韧性、动态破坏强度等数据。有关玻璃钢材料的应变率效应以及它对材料各向异性的影响分析不够。1949年Kolsky [1]次提出分离式Hopkinson压杆(SHPB)，经过一系列的改进，该设备已被广泛用于动态力学实验。有关玻璃钢的性能的研究已有一些相关的报道[2][3][4]。但GFPP玻璃钢的SHPB实验研究还未见到相关的结果。
本文用SHPB研究了轿车车身用GFPP玻璃钢在不同应变率下的力学响应，结合静态试验数据，引用损伤演化的观点对破坏的机制进行了分析。
1． 原理与方法
本实验的试件取自200×10 ×10mm的板材。板材的加工是将E玻纤层平行排列，再将各层随机叠放，用聚丙烯浇铸而成。试件为¢10×5mm的圆柱体，取自两个不同的方向：垂直于板面的记为S方向，顺着板厚的记为L方向。为避免材料加工的分散性对实验结果的影响，本次实验所采用的试件都从同一块板材上哉下。其中的准静态压缩实验利用MTS-810材料实验机完成，冲击压缩实验在科学与技术大学力学与机械工程系冲击动力学实验室自行研制的¢14.5的SHPB上进行。
2．结果与分析
实验结果如图1(a)(见上页)、(b)所示，图中包括了两种取向的从准 静态（10-3/s）到动态（2*103/s）的六、七种不同应变率的应力―应变曲线。（图中X表示试件已被压坏）。
从原始波形图（图2）上可以看出材料具有典型的粘弹性。对一般的金属类弹塑性材料而言，当加载完成进入卸载时，透射波上的A点应迅速卸到零，而实测波形却是沿AB缓慢卸载的。这表明试件的应力并不是按弹性卸载规律迅速卸到零，而是缓慢卸载的，这反映了这种材料的粘弹性。另外，从应力-应变曲线也可看出材料具有典型的粘弹性特性。图1（a）、（b）的应力一应变曲线呈现明显的迟滞回路，应力达到 大值并开始卸载时，应变仍继续增加。后从试件的实际变形来看，只要试件没有破坏，都能够完全恢复，即几乎没有残余应变。所以我们所研究GFPP玻璃钢是一种典型的粘弹性材料。
应变率效应是一切粘弹性材料均具有的特性，而且这种应变率敏感程度远大于金属类的弹塑性材料，对于后者来说，其流动应力的明显变化，我们的实验结果（图1）证明了这一点。结果表明，GFPP玻璃钢材料无论是L方向还是S方向，都表现了明显的应变率效应。随着应变率的提高，材料的承载能力增大，流动应力增加，对应的弹性模量也有所增加。
玻璃钢材料由于纤维的铺层排列不同，必然表现出其宏观力学性能的各向异性。交大所提供的GFPP玻璃钢应是：垂直于板面方向（S方向）是一种特性，而顺着板面方向是另一种特性，即是一种横观各向同性材料。这一点在我们的动静态压缩实验中也表现得十分明显。
实验结果表明，在静态和较低的应变率时，S方向的承载能力要比L方向低，弹怀模量比L方同的小（图4(a)）。而在较高的应变率下，出现了与上面相反的情形（图4(b)）。在同为1300/S的应变率下，L方向的材料被破坏，而S方向没有破坏，且S方向的应力―应变曲线在L方向的上方。在1800/S（2000/S）的应变率下也有类似的情况：在破坏之前，S1的应力―应变曲线在L1上方，虽然两者都发生破坏，但S1的破坏应力和破坏应变都较大。另外，材料的各向异性还表现在两者的破坏形貌不一样：L方向的试件破坏时，截面由圆形变成椭圆形，并发生层间开裂；裂纹沿一个方向，与圆截面呈45度角，纤维方向的变形量很小。而S方向的试件破坏时，截面仍保持为平整的圆形，既无层间开裂，裂纹面也不是单向的，而是各个方向都有，残留的试件类似于锥角为45度的圆台。很明显，这是两种不同的破坏机制造成的破坏。
以上表现出来的变形和破坏的各向异怀是与GFPP玻璃钢内部辅层结构有关。对S方向的试件，层内纤维作为一个整体被压缩，轴向的应变主要是由层间墙报基体产生的。而相对玻璃纤维而言，基体的弹性模量要小的多，所以S方向要显的软一些。而对L方向，压力由基体和纤维共同承担，而玻璃纤维具有相当高的抗压强度，所以L方向显得要硬一些，弹性模量也大一些。然而在纤维层与基体之间不可避免的存在着微裂纹和微空洞等缺陷（即损伤），这些损伤在冲击载荷作用下发展演化，这种发展演化除了与应变有关外，还与应变率有关。当应变率超过某个范围，这些损伤迅速演化，导致纤维层界面脱胶，发生动态屈曲，从而使整体的承载能力下降，出现了如图4(b)所示的反常现象。
S方向的破坏主要是由剪应力所致，当外力作用产生的剪应力超过基体的剪切强度时，试件将产生45度方向的裂纹，而玻离纤维的抗折能力较弱，玻璃纤维的存在未能阻止裂纹沿45度方向的发展，所以形成的是45度锥角的圆台。而L方向试件破坏机制较为复杂。由于泊松效应而引起的横向应力超过界面的粘结承受能力，使界面脱胶，产生开裂，形成了椭圆形的长轴，破坏试件的端面上会出现一些沿纤维方向的裂纹。而沿纤维方同的应变由于其承载能力较强，因此泊松效应对它不起多大的影响，不可能把它拉断，而且基本上没有残余应变。虽然静态实验也会出现类似的裂纹，但数量极砂。这是由于在静态压缩时，纤维层与基体之间的微裂纹、空洞等缺陷的影响并不明显；而在高应变率的加载条件下，这些缺陷迅速发展演化并沿纤维层的排列方向扩展而产生宏观裂纹。
根据上面的分析，在冲击载荷作用下，S方向的变形与破坏主要是由基体的强度决定的，而L方向的变形和破坏不仅是由基体和纤维强度决定，还是由它们的组成结构、基体和纤维层界面的粘结程度决定的。
3、结论
3.1 和其他玻璃钢一样，GFPP玻璃钢也是一种典型的粘弹性材料，其动态的应力―应变曲线呈现出明显的迟滞回路，卸载后仍有应变发展。冲击实验之后，只要试件没有破坏，都能完全恢复，没有残余应变。另外，GFPP玻璃钢的应变率效应要比金属类弹塑性材料敏感得多。
3.2 GFPP玻璃钢材料的各向异性在冲击载荷下表现得更为明显，这里除了纤维的排列和铺层等因素外，层间的微裂纹和空洞等缺陷的发展演化也是一个重要的原因。这种缺陷的发展演化除了与应变有关，还与应变率有关。缺陷的发展演化将导致材料的软化和破坏。
本文用SHPB研究了轿车车身用GFPP玻璃钢在不同应变率下的力学响应，结合静态试验数据，引用损伤演化的观点对破坏的机制进行了分析。
1． 原理与方法
本实验的试件取自200×10 ×10mm的板材。板材的加工是将E玻纤层平行排列，再将各层随机叠放，用聚丙烯浇铸而成。试件为¢10×5mm的圆柱体，取自两个不同的方向：垂直于板面的记为S方向，顺着板厚的记为L方向。为避免材料加工的分散性对实验结果的影响，本次实验所采用的试件都从同一块板材上哉下。其中的准静态压缩实验利用MTS-810材料实验机完成，冲击压缩实验在科学与技术大学力学与机械工程系冲击动力学实验室自行研制的¢14.5的SHPB上进行。
2．结果与分析
实验结果如图1(a)(见上页)、(b)所示，图中包括了两种取向的从准 静态（10-3/s）到动态（2*103/s）的六、七种不同应变率的应力―应变曲线。（图中X表示试件已被压坏）。
从原始波形图（图2）上可以看出材料具有典型的粘弹性。对一般的金属类弹塑性材料而言，当加载完成进入卸载时，透射波上的A点应迅速卸到零，而实测波形却是沿AB缓慢卸载的。这表明试件的应力并不是按弹性卸载规律迅速卸到零，而是缓慢卸载的，这反映了这种材料的粘弹性。另外，从应力-应变曲线也可看出材料具有典型的粘弹性特性。图1（a）、（b）的应力一应变曲线呈现明显的迟滞回路，应力达到 大值并开始卸载时，应变仍继续增加。后从试件的实际变形来看，只要试件没有破坏，都能够完全恢复，即几乎没有残余应变。所以我们所研究GFPP玻璃钢是一种典型的粘弹性材料。
应变率效应是一切粘弹性材料均具有的特性，而且这种应变率敏感程度远大于金属类的弹塑性材料，对于后者来说，其流动应力的明显变化，我们的实验结果（图1）证明了这一点。结果表明，GFPP玻璃钢材料无论是L方向还是S方向，都表现了明显的应变率效应。随着应变率的提高，材料的承载能力增大，流动应力增加，对应的弹性模量也有所增加。
玻璃钢材料由于纤维的铺层排列不同，必然表现出其宏观力学性能的各向异性。交大所提供的GFPP玻璃钢应是：垂直于板面方向（S方向）是一种特性，而顺着板面方向是另一种特性，即是一种横观各向同性材料。这一点在我们的动静态压缩实验中也表现得十分明显。
实验结果表明，在静态和较低的应变率时，S方向的承载能力要比L方向低，弹怀模量比L方同的小（图4(a)）。而在较高的应变率下，出现了与上面相反的情形（图4(b)）。在同为1300/S的应变率下，L方向的材料被破坏，而S方向没有破坏，且S方向的应力―应变曲线在L方向的上方。在1800/S（2000/S）的应变率下也有类似的情况：在破坏之前，S1的应力―应变曲线在L1上方，虽然两者都发生破坏，但S1的破坏应力和破坏应变都较大。另外，材料的各向异性还表现在两者的破坏形貌不一样：L方向的试件破坏时，截面由圆形变成椭圆形，并发生层间开裂；裂纹沿一个方向，与圆截面呈45度角，纤维方向的变形量很小。而S方向的试件破坏时，截面仍保持为平整的圆形，既无层间开裂，裂纹面也不是单向的，而是各个方向都有，残留的试件类似于锥角为45度的圆台。很明显，这是两种不同的破坏机制造成的破坏。
以上表现出来的变形和破坏的各向异怀是与GFPP玻璃钢内部辅层结构有关。对S方向的试件，层内纤维作为一个整体被压缩，轴向的应变主要是由层间墙报基体产生的。而相对玻璃纤维而言，基体的弹性模量要小的多，所以S方向要显的软一些。而对L方向，压力由基体和纤维共同承担，而玻璃纤维具有相当高的抗压强度，所以L方向显得要硬一些，弹性模量也大一些。然而在纤维层与基体之间不可避免的存在着微裂纹和微空洞等缺陷（即损伤），这些损伤在冲击载荷作用下发展演化，这种发展演化除了与应变有关外，还与应变率有关。当应变率超过某个范围，这些损伤迅速演化，导致纤维层界面脱胶，发生动态屈曲，从而使整体的承载能力下降，出现了如图4(b)所示的反常现象。
S方向的破坏主要是由剪应力所致，当外力作用产生的剪应力超过基体的剪切强度时，试件将产生45度方向的裂纹，而玻离纤维的抗折能力较弱，玻璃纤维的存在未能阻止裂纹沿45度方向的发展，所以形成的是45度锥角的圆台。而L方向试件破坏机制较为复杂。由于泊松效应而引起的横向应力超过界面的粘结承受能力，使界面脱胶，产生开裂，形成了椭圆形的长轴，破坏试件的端面上会出现一些沿纤维方向的裂纹。而沿纤维方同的应变由于其承载能力较强，因此泊松效应对它不起多大的影响，不可能把它拉断，而且基本上没有残余应变。虽然静态实验也会出现类似的裂纹，但数量极砂。这是由于在静态压缩时，纤维层与基体之间的微裂纹、空洞等缺陷的影响并不明显；而在高应变率的加载条件下，这些缺陷迅速发展演化并沿纤维层的排列方向扩展而产生宏观裂纹。
根据上面的分析，在冲击载荷作用下，S方向的变形与破坏主要是由基体的强度决定的，而L方向的变形和破坏不仅是由基体和纤维强度决定，还是由它们的组成结构、基体和纤维层界面的粘结程度决定的。
3、结论
3.1 和其他玻璃钢一样，GFPP玻璃钢也是一种典型的粘弹性材料，其动态的应力―应变曲线呈现出明显的迟滞回路，卸载后仍有应变发展。冲击实验之后，只要试件没有破坏，都能完全恢复，没有残余应变。另外，GFPP玻璃钢的应变率效应要比金属类弹塑性材料敏感得多。
3.2 GFPP玻璃钢材料的各向异性在冲击载荷下表现得更为明显，这里除了纤维的排列和铺层等因素外，层间的微裂纹和空洞等缺陷的发展演化也是一个重要的原因。这种缺陷的发展演化除了与应变有关，还与应变率有关。缺陷的发展演化将导致材料的软化和破坏。
