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PART 01
一.引言
复合材料因其优异的力学性能、轻质和设计灵活性，在航空航天、汽车、土木工程等领域得到广泛应用。然而，复合材料的面外性能通常较弱，这限制了其在承受面外载荷时的应用范围。厚度方向压缩模量 (E33c) 是表征复合材料面外性能的关键参数，对面外载荷下的结构性能和寿命至关重要。目前，复合材料面外性能的实验测定方法相对较少，且存在一定的局限性。传统的标准压缩试验无法直接测定 E33c，而现有的面外压缩试验方法，如 Arcan 试验和立方体压缩试验，也存在一些问题，例如试件制备复杂、测试成本高、摩擦引起的非均匀变形等。
近日，《J. Compos. Sci.》期刊发表了一篇由德国航空航天中心轻质系统研究所的研究团队完成的有关单向碳纤维增强塑料层合板厚度方向和面内压缩模量的实验对比分析的研究成果。该研究通过立方体压缩试验研究了单向碳纤维增强塑料层压板的厚度方向压缩性能，并使用有限元分析结果校正实验结果，提高了实验参数的准确性。研究结果表明，厚度方向模量和强度略低于面内模量和强度，这为复合材料结构的设计和应用提供了重要的参考依据。论文标题为“Experimental Comparative Analysis of the Through-Thickness and In-Plane Compression Moduli of Unidirectional CFRP Laminates”。
PART 02
二．方法与程序
实验设置
研究人员使用边长为 10 mm 的立方体试件进行压缩试验，并配备了双轴应变片以测量应变。为了减少摩擦对变形的影响，试件上、下表面放置了硬质钢块。此外，研究人员还利用有限元模型模拟了立方体压缩试验，以分析摩擦引起的非均匀变形，并计算了相应的缩放因子。
图1 压缩试验的实验装置示意图（左）和实际照片（右）。
2. 试件配置
试样采用单向预浸料制成，层压堆叠为 [0]54，材料为 Hexcel 的中等级别 IMA/M21e，名义层压厚度为 0.184 毫米。试样尺寸为 10 毫米 x 10 毫米 x 10 毫米，并在 180°C 和 7bar的压力下进行固化。试样表面经过精加工，以确保平行和光滑，从而最大限度地减少实验误差。为了方便应变片的粘贴，试样被分为两组，分别进行不同方向的压缩测试。
图2 立方体试样在 3 方向测试和 2 方向测试中的应变片配置。
3.测试程序
测试前，清洁压缩板和硬质钢板的表面，然后将安装了应变片的试样放置在试验机中的钢板上。首先对试样进行预加载，然后以 0.5 毫米/分钟的速度进行位移控制压缩加载，直到试样失效。在整个过程中，应变片和试验机的力传感器收集数据，记录试样的应力-应变响应。
4.试验装置的有限元模型
为了解决试样与钢块之间摩擦导致的非均匀变形问题，建立了一个有限元模型进行虚拟压缩测试。模型包括试样和相邻的硬质钢板，并使用惩罚接触方法模拟两者之间的界面行为。模型采用 Abaqus/Explicit 作为模拟环境，并考虑了摩擦系数的影响。通过监测模型中的能量平衡，排除了高加载速度对结果的影响。
图3 (a) 试样和硬质钢板之间的显式有限元模型，包括罚函数接触以及边界条件模型特征。(b) 应变片位置和尺寸在有限元网格上的比例表示（测量网格以黄色显示）。
5.数值获得的缩放因子
通过有限元分析，得到了各个参数的线性缩放因子，用于校正实验结果。缩放因子是通过将有限元分析中“真实”的输入值除以虚拟测量的值得到的。实验结果乘以这些缩放因子后，可以得到材料的真实物理属性。
图4 在 6 kN 压缩载荷水平下变形立方体的应变结果。
PART 03
三．结果与讨论
1. 刚度测定
通过应变片和力传感器的数据，可以得到试样的应变-力曲线。由于摩擦的影响，不同方向的刚度存在差异。选择合适的力范围，可以计算出试样的切线刚度，从而得到压缩模量 E33 和 E22。实验结果表明，由于摩擦的影响，试样在加载初期刚度逐渐增加，而在 23 平面的应变-力曲线呈现出轻微的非线性。
2.强度测定
压缩强度是通过每次试验的最大压缩力计算得到的。由于计算不依赖于应变片数据，因此不受试样配置的影响，无需进一步缩放。实验结果表明，面内压缩强度高于面外压缩强度，且差异约为 7%。试样失效主要发生在边缘，与有限元分析中预测的应变峰值位置一致。
图 5 (a) 本研究与其他研究中的断裂角比较，包括 Zhang 等人和 Kim 等人展示的断裂试样。(b) 试样加载面上的主应力方向。
3.与标准测试的比较
将立方体压缩试验结果与标准面内压缩试验结果进行比较，发现立方体试验低估了刚度 4%，但高估了强度 12%。为了与标准试验结果一致，需要对立方体试验得到的参数进行进一步缩放。
图6 纤维方向测试试样的失效模式。
PART 04
四．小结
该研究通过实验对比分析了单向 CFRP 层合板厚度方向和面内压缩模量，并提出了相应的缩放因子，以提高实验结果的准确性。这对于更好地理解复合材料的面外性能，并优化其结构设计具有重要意义。
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