求取拉挤成型方管弯曲性能的简易方法

1、前言
  FRP是比钢累、耐腐蚀性好的材料,其中用拉挤成型方法制作的FRP产品,无论是尺寸精度、强度均一性,还是断面形状多样和尺寸长度自由等优点看,更适用于土木、建筑等领域,是今后有望扩大用途的成型方法之一。但是拉挤型材形状多样,特别是大型结构产品,若制造之后再进行弯曲试验,一方面需耗费大量劳动力,另一方面由于其形状的多样性,从试验装备上也感到困难较大,再加上还没有适当的试验方法。当前有不少厂家,在不做详细检测计算的情况下,就投入生产,使生产带有一定的盲目性,给产品的安全应用造成一定的隐患。因此有些研究人员就想用一些简单的试验方法,加上适当计算来达到了解方管弯曲性能的方法。本文想把他们的研究试验和得出简介试验方法介绍给有关生产厂家,供试用并进一步研究,以求该类产品的生产、应用,做到心中有数,确保安全。
  2、研究试验
  研究试验包括方管的四点弯曲试验和方管上(0°方向)切下的试片以及从同结构、同板厚的板材上切下试片的拉伸及压缩试验。
  2.1试样
  表1表示拉挤方管所采用的增强材料。其中一种试样的增强材料是由0°方向的玻璃纤维无捻粗纱和±45/90°方向的玻璃纤维针织布组成(以下称GF)。另两种试样是由玻璃纤维和碳纤维混合组成(其中含碳多的下称GFd;含碳少的下称GFs),在0°方向的无捻粗纱用碳纤维,±45/90°方向用玻璃纤维针织布。

  注:积层构成的详细情况如下
  玻璃纤维(±45/90/0/ ±45/90/0/90/ ±45)
  混合纤维(±45/90/0/ ±45/90/0/90/ ±45)
  (碳纤维含量高  只0°方向有碳纤维)
  混合纤维(±45/90/ ±45/90/0/90/ ±45/90 ±45)
  (碳纤维含量少  只0°方向有碳纤维)
  2.2方管的四点弯曲试验
  图1表示方管的试样形状。在方管的上、下面贴正交应变片,侧面贴3轴应变片,在方管下方用百分表测位移。还在图上所示位置分别贴了15个应变片。

  GF、GFd试样用1200mm、1800mm、2400mm的跨距进行试验,GFs用2400mm的跨距进行试验。试验后算出等效弯曲刚度和弯曲强度。
  2.3拉伸试验
  试样为在方管拉挤方向(0°)切下的长方形试样及与方管同构成、同板厚的平板上切下的同形状试样。在试样的两面贴正交应变片。拉伸试验后算出拉伸弹性模量和拉伸强度。
  2.4压缩试验
  与拉伸试验一样,用从方管和平板上切下的压缩试样,在试样的一个侧面贴应弯片。压缩试验后算出压缩弹性模量和压缩强度。
  3、试验结果与讨论
  表2表示由方管和平板切出试样的拉伸及压缩弹性模量。为了对比还将以往挤成型的单向增强材料0°、45°、90°的拉伸试验的数据用复合定律算出的弹模量EPD一起列出。

  注()内是离散系数
  从上述试验结果不难看出由方管切下的试片和由平板切下的试处几乎有相等的拉伸和压缩弹性模量。由单向拉挤材料数据,用复合规则标出的弹性模量也同方管切出试样及平板切出试样的值近似。由于可知,用作结构材料的方管的材料弹性模量,可以用同构成、同板厚平板的同一性能数据代替。即使方管的基材构成和板后有变化也可用单向拉挤数据用复合规则计算也可充分预测其它形状方管的材料弹性模量。

  表3是由四点弯曲试验求出的等效弯曲刚度Elexp和用表2的弹性模量乘方管的断面二次惯性矩算出的等效弯曲刚度。从表中可以看出由方管的四点弯曲试验算出的等效弯曲刚度Elexp和由切出试样算出的弯曲刚度和由切出试片算出的弯曲刚度几乎是一致的。也就是说,如果知道同结构,同板厚的平板弹性模量或用单向拉挤材料的数据,用复合规则算出的弹性模量和方管的断面二次惯性矩,方管的等效弯曲刚度就完全可以预测。
  表4表示方管的四点弯曲强度、方管和平板切出试样的拉伸及压缩强度。从这些数据不难看出拉伸强度远远大于压缩强度,切下试样的压缩强度和方管的弯曲强度相近,这主要是由于方管的四点弯曲试验是由压缩和拉伸现象所构成。从这一点看原则上可以由试片的压缩强度推测方管的四点弯曲强度。

4、结语
  从上述试验结果可初步得出以下几点结论:
  1)若要求拉挤方管的弯曲刚度,不需实际产品做试验,只要知道下述材料常数就能较准确地推测。
  ①方管或同构成,同板厚平板的弹性模量。
  ②以单方材料数据用复合规则算出的方管材料的弹性模量。
  2)有关拉挤成型方管的弯曲强度用压缩强度替代进行设计时(因为数据只是近似)要特别注意。
  3)其他形状的拉挤产品(如球形、沟槽材料等)也可参照本试验结果及试验方法。

                             (封慧敏 译)