GLARE层压板力学性能试验研究

Experimental Study on Mechanical Properties of GLARE Composite Laminates

摘要: 新型纤维金属层板GLARE因其优异的静强度、抗疲劳和抗冲击等性能，已经广泛应用于飞机的机身蒙皮、水平尾翼和垂直尾翼前缘以及货舱地板。本文对国产GLARE层板力学性能进行试验研究，获得国产GLARE材料的基本力学性能及失效模式，并与国外GLARE层板力学性能进行对比。结果表明，国产GLARE性能优越，可以应用于我国飞机机身蒙皮、尾翼等部位。

Abstract: Due to its excellent static strength, fatigue resistance and impact resistance, glass has been widely used in fuselage skin, leading edge of horizontal and vertical tail and cargo floor. In this paper, the mechanical properties of domestic glare laminates were studied, and the basic mechanical prop-erties and failure modes of domestic glare laminates were obtained, and the mechanical properties of domestic glare laminates were compared with those of foreign glare laminates. The results show that the performance of domestic glare is superior, and it can be used in fuselage skin, tail wing and other parts of Chinese aircraft.

1. 引言

玻璃纤维增强铝合金复合材料层合板(Glass Reinforced Aluminum Laminates，简称GLARE层合板)由高强度铝合金和玻璃纤维在一定温度和一定压力条件下交替层压粘合而成，因此具有金属和复合材料的双重优点，GLARE层合板不仅具有极高的静强度，更具有突出的疲劳阻抗、优异的冲击阻抗、良好的剩余强度、耐腐蚀以及容易制造和修理等特点。最早研究Glare层板的是荷兰代夫特科技大学和荷兰国家航空航天实验室 [1]。与整体铝合金相比，GLARE能够减重10% [2]，因而在航空领域有着广阔的前景和应用潜力 [3]。Glare层板首次应用于民用飞机的是波音B777的货舱地板 [4]，大规模应用则是空客A380-800机身蒙皮、水平尾翼和垂直尾翼前缘 [5]。

国外学者通过试验研究已经取得了GLARE层板的大量性能参数，而国内对GLARE层板力学性能的研究报道的较少。本文对国产GLARE层板力学性能进行试验研究，获得国产GLARE材料的基本力学性能及失效模式，并与国外GLARE层板力学性能进行对比。

2. 试验

针对GLARE材料的特点及使用要求，本项试验主要研究拉伸试验、压缩试验和面内剪切试验三个方面的基本力学性能。拉伸试验的测试内容包括拉伸模量、波松比、拉伸屈服强度、拉伸极限强度；压缩试验的测试内容包括压缩模量、压缩屈服强度、压缩极限强度；面内剪切试验的测试内容包括剪切模量、剪切屈服强度、剪切极限强度。

试验件共两种结构形式，分别如图1(a)的结构形式I和图1(b)的结构形式II，即Al/glass/Al (3层)和Al/glass/Al/glass/Al (5层)，其中复合材料层分别包含3种铺层形式。

(a) 结构形式I (b) 结构形式II

Figure 1. Structural diagram of glass laminate

图1. GLARE层压板结构示意图

结构形式I层压板代号为2/1~1、2/1~2和2/1~3，材料及铺层形式依次为：[Al/(0/0) g/Al]、[Al/(90/90) g/Al]和[Al/(0/90) g/Al]；结构形式II层压板代号为3/2-1、3/2-2和3/2-3，材料及铺层形式依次为：[Al/(0/0) g/Al/ (0/0) g/Al]、[Al/(90/90) g/Al/(90/90) g/Al]和[Al/(0/ 90) g/Al/ (90/0) g/Al]。

试件编号规则为L3A代表I型试件拉伸，L5A代表II型试件拉伸；Y3A代表I型试件压缩，Y5A代表II型试件压缩；V3A代表I型试件面内剪切，V5A代表II型试件面内剪切。

2.1. 拉伸试验

拉伸试验在INSTRON 1195试验机上进行，测试依照ASTM D 3039 [6] 进行。其操作方法为，将试验件夹持于试验机上下夹头之中，预加载至约破坏载荷的30%，检查载荷、应变无误，及试弯曲百分比符合ASTM D 3039标准对系统对正度的要求后正式试验。正式试验时，以1 mm/min分级加载到约30%破坏载荷，测出试件弹性模量和泊松比；再以2 mm/min的加载速率连续加载到试件破坏，记录试件的破坏载荷及试件破坏模式。图2给出GLARE层压板拉伸试验状态，图3给出GLARE层压板拉伸试件破坏模式，图4给出拉伸试验应力–应变曲线。

Figure 2. Tensile test state

图2. 拉伸试验状态

Figure 3. Failure mode of glass laminate tensile specimen

图3. GLARE层压板拉伸试件破坏模式

Figure 4. Stress strain curve of tensile test (specimen: 2/1-1)

图4. 拉伸试验应力–应变曲线(试件：2/1-1)

拉伸试验数据处理理论 [7]：

屈服强度：

${\sigma }_{st}=\frac{P_s}{bt}$ (1)

极限强度：

${\sigma }_{bt}=\frac{P_b}{bt}$ (2)

拉伸模量：

$E_{xt}=\frac{\Delta P}{bh\Delta \epsilon }$ (3)

泊松比：

${\nu }_{12}=\frac{{\epsilon }_{横}}{{\epsilon }_{纵}}$ (4)

式中，P_s为拉伸屈服载荷，N；P_b为拉伸破坏时的最大载荷，N；ΔP为应力–应变曲线上(1000 με~3000 με)应变区间内的载荷增量，N；Δε为与ΔP载荷增量对应的应变增量，με；ε_纵为与ΔP载荷增量对应的纵向应变，με；ε_横为与ΔP载荷增量对应的横向应变，με；b为试样宽度，mm；t为试样厚度，mm。表1给出GLARE层压板拉伸基本力学性能。

Table 1. Tensile properties of glass laminates

表1. 给出GLARE层压板拉伸基本力学性能

2.2. 压缩试验

压缩试验在INSTRON 1195试验机上进行。按照ASTM D 6641 [6] 试验标准的要求，将试验件安装于试验夹具JJ6641之中，再将试验夹具放置于试验机压缩平台之上，调整夹具位置，使试验件处于试验机加载中心。对试件预加载至约破坏载荷的30%，检查载荷、应变无误后正式试验。正式试验时，先以1 mm/min的速度分级加载至约30%破坏载荷，测量试件的压缩弹性模量；再以2 mm/min的加载速率连续加载到试件破坏，记录试件的破坏载荷及试件破坏模式。图5给出GLARE层压板压缩试验状态，图6给出GLARE层压板压缩试件破坏模式，图7给出压缩试验应力–应变曲线。

Figure 5. Compression test status

图5. 压缩试验状态

Figure 6. Failure mode of glass laminate compression specimen

图6. GLARE层压板压缩试件破坏模式

Figure 7. Stress strain curve of compression test (specimen: 3/2-1)

图7. 压缩试验应力–应变曲线(试件：3/2-1)

压缩试验数据处理理论 [7]：

屈服强度：

${\sigma }_{sc}=\frac{P_s}{bt}$ (5)

极限强度：

${\sigma }_{bc}=\frac{P_b}{bt}$ (6)

压缩模量：

$E_c=\frac{\Delta P}{bh\Delta \epsilon }$ (7)

式中，P_s为压缩屈服载荷，N；P_b为压缩破坏时的最大载荷，N；ΔP为应力–应变曲线上(1000 με~3000 με)应变区间内的载荷增量，N；Δε为与ΔP载荷增量对应的应变增量，με；b为试样宽度，mm；t为试样厚度，mm。表2给出GLARE层压板压缩基本力学性能。

Table 2. Basic mechanical properties of glass laminates under compression

表2. GLARE层压板压缩基本力学性能

2.3. 面内剪切试验

面内剪切试验在INSTRON 1195试验机上进行。按照ASTM D 5379 [6] 试验标准的要求，将试验件安装于试验夹具JJ5379之中，再将试验夹具放置于试验机压缩平台之上，调整夹具位置，使试验件处于试验机加载中心。对试件预加载至约破坏载荷的30%，检查载荷、应变无误后正式试验。先以1 mm/min的速度分级加载至约30%破坏载荷，测量试件的剪切弹性模量；再以2 mm/min的加载速率连续加载到试件破坏，记录试件的破坏载荷及试件破坏模式。

图8给出GLARE层压板面内剪切试验状态，图9给出GLARE层压板面内剪切试验破坏模式，图10给出面内剪切试验应力–应变曲线。

Figure 8. In plane shear test state

图8. 面内剪切试验状态

Figure 9. Failure mode of in-plane shear specimens of glass laminates

图9. GLARE层压板面内剪切试件破坏模式

Figure 10. Stress strain curve of in-plane shear test (specimen: 3/2-3)

图10. 面内剪切试验应力–应变曲线(试件：3/2-3)

面内剪切试验数据处理理论 [7]：

屈服强度：

$S_{sxy}=\frac{P_s}{bt}$ (8)

剪切模量：

$G_{xy}=\frac{\Delta P}{bt\Delta \gamma }$ (9)

剪应变：

${\gamma }_i=\left|{\epsilon }_{+45}\right|+\left|{\epsilon }_{-45}\right|$ (10)

式中，Ps为屈服载荷，N；P_b为剪切破坏时的最大载荷，N；ΔP为应力–应变曲线上(1000 με~3000 με)应变区间内的载荷增量，N；Δγ为与ΔP载荷增量对应的应变增量，με；γ_i为第i个数据点的剪应变，με；b为试样宽度，mm；t为试样厚度，mm。表3给出GLARE层板面内剪切基本力学性能。

3. 结果与讨论

GLARE层压板基本力学性能汇总如表4所示，表中还列出了外文资料部分GLARE力学性能数据 [8] 和2024-T3铝合金的性能数据 [9]。

Table 3. Basic mechanical properties of glass laminates under in-plane shear

表3. GLARE层板面内剪切基本力学性能

Table 4. Summary of basic mechanical properties of glass laminate

表4. GLARE层压板基本力学性能数据汇总表

注：误差% = (试验数据 − 文献数据)/文献数据。

通过试验数据分析对比可知，国产GLARE层压板试验结果和文献 [8] 的数据基本一致，即除2/1-2和3/2-2层压板拉伸极限强度的误差较大外(分别为−19.0%和−23.7%)，其它试验数据和文献 [8] 的误差保持均在15%以内，表明本项研究所确定的试验方法是合理的。

4. 结论

(1) 增强纤维的铺层形式对GLARE层压板的力学性能具有显著的影响，其影响趋势与复合材料层压板相同，即0˚纤维增强层压板的模量和强度最高，90˚纤维增强层压板的模量和强度最低；对于具有相同铺层形式增强纤维的Glare层压板，两种结构形式(3层和5层)的力学性能差异不大；

(2) 对于0˚和0˚/90˚纤维增强的GLARE层压板，其应力–应变相应曲线明显不同于Al合金和复合材料层压板。从曲线上可以看出，GLARE层压板的失效过程可以分为两个阶段，即第一阶段为线弹性变形阶段，此时铝合金和玻璃纤维共同承受外载荷，且铝合金未发生屈服；而当铝合金到达其屈服强度并产生塑性变形后，铝合金的模量降低，从而导致GLARE层压板的模量也相应降低，此时应力–应变曲线出现拐点，同时随着载荷的继续增大，GLARE层压板所承受的载荷逐步转移到增强纤维，直到增强纤维断裂，此时，层压板丧失承载能力，其最终的破坏强度介于Al合金和Glass层压板的极限强度之间。