1、引言
随着复合材料在航空、汽车和船舶等工业领域的广泛应用，其力学性能的研究变得日益重要。单向复合材料作为复合材料的基本组成部分，其拉伸性能尤为关键。然而，在实际静力或者疲劳拉伸试验中，由于多种因素导致的应力集中问题经常使试样在夹持区域附近过早失效，从而影响试验结果的准确性和可靠性。
图1 单向复合材料试样轴向拉伸载荷下的常见失效模式
近日，复合材料领域国际知名期刊《Composites Part B》发表了一篇题为“Reducing stress concentrations in static and fatigue tensile tests on unidirectional composite materials: A review”的论文。该研究由鲁汶大学的研究团队完成，文章采用试验和有限元仿真分析的方法分析了单向复合材料拉伸试验中存在的应力集中问题及其原因，并给出了减少应力集中的措施和方法。
2、研究内容及方法
在加强片设计方面，该研究探讨了不同加强片形状、长度、厚度和几何形状对应力分布的影响。通过有限元分析和实验验证，发现使用低模量材料与高模量材料相结合的混合加强片可以有效降低应力集中，提高碳纤维增强拉挤杆的失效应变和疲劳寿命。同时，加强片长度应足够长以避免夹紧压力引起的滑动，加强片厚度应足以保护试样免受夹具锯齿表面的影响。
图2 不同的层压板丢层设计
图3 不同的加强片形状
在胶黏剂选择方面，分析了胶黏剂模量对试样性能的影响。结果表明，增加高模量胶黏剂的厚度可以提高拉伸强度，而低模量胶黏剂则相反。因此，在选择胶黏剂时，需要综合考虑其模量与试样的匹配性。
图3 不同的加强片边缘设计
在试样几何形状方面，该研究比较了矩形、蝶形、狗骨形试样的拉伸性能。虽然试验标准建议使用矩形试样，但蝶形可确保在试样中间产生更高的应力。然而，这种形状可能引起纵向分裂，导致过早失效。因此，在选择试样几何形状时，需要权衡其优缺点。
图4 几种非矩形拉伸试样
在测量装置方面，该研究强调了夹持位置和夹持压力的重要性。通过调整试样夹持位置和夹持压力，可以降低应力集中并提高测试结果的准确性。此外，试样的不对中和倾斜也会对拉伸性能产生负面影响，因此在进行拉伸试验前必须确保试样和夹持器的对准。
图5 几种夹持方式
小结：
该研究通过综合分析各种因素对应力集中的影响，提出了一系列有效的措施和方法来减少单向复合材料拉伸试验中的应力集中问题。这些措施包括优化试样设计、选择合适的胶黏剂、改进试样几何形状和调整测试设置等。通过实施这些措施，可以显著提高拉伸试验结果的准确性和可靠性，为单向复合材料的力学性能评估提供更为准确的数据支持。
此外，该研究还指出了一些需要进一步探讨的问题和未来研究方向，如开发新型夹持器以降低应力集中、研究不同材料体系下的应力集中现象等。这些问题的解决将有助于进一步完善单向复合材料拉伸试验技术，推动复合材料领域的持续发展。
表1 单向复合材料拉伸试验设计建议
原始文献：
Babak Fazlali, Stepan V. Lomov, Yentl Swolfs, Reducing stress concentrations in static and fatigue tensile tests on unidirectional composite materials: A review, Composites Part B: Engineering, Volume 273, 2024, 111215.
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111215.
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135983682400026X
