FRP单层板拉伸、剪切破坏及强度预测模型分析

单层板可能发生的几种基本断裂形式如图10-9所示。当纤维方向的拉应力过大时，纤维或基体会发生断裂，断面与拉应力相垂直。横向加载或剪切加载时，会发生基体破坏。以下考虑沿纤维方向拉伸的情况。

图10-9　单层板的断裂形式

设基体和纤维均为脆性材料，在线弹性变形范围内，两者具有相同的应变，因此承担的应力与各自的弹性模量成比例。当基体的断裂应变εmu小于纤维的断裂应变εfu，且复合材料的应变不超过εmu时，复合材料中的应力σ1可写为

式中：V f为纤维的体积含量；下标f、m分别表示纤维和基体。当材料整体应变超过εmu时，基体内产生裂纹，在应力应变曲线上出现弯折点（knee），如图10-10（a）所示。

图10-10　FRP单层板拉伸断裂示意图

此后，随着变形增大，基体裂纹密度增大，载荷不断由基体传给纤维，进而全部由纤维承担。当应变达到纤维的断裂应变εfu时，材料沿垂直于纤维的方向发生断裂。复合材料的强度由下式给出：

若εfu＜εmu，在材料应变达到εfu时纤维首先发生断裂，随着应变继续增大，纤维断成一小段一小段，所承担的载荷向基体传递，复合材料的强度由下式表示：

式中：σ＇m为纤维发生断裂时基体承受的应力，如图10-10（b）所示，其值一般远小于σfu。因此，式（10-19）可近似改写为

该结果与式（10-18）相同。由此可知，纤维性能是复合材料纤维方向强度的决定因素。

在实际破坏过程中，当基体中出现裂纹并且裂纹扩展到纤维与基体的界面处时，在横向应力分量σ2的作用下材料会发生界面剥离，使裂纹钝化（见图10-11），因此可避免纤维的断裂。裂纹钝化机理对增加复合材料的断裂韧度十分重要。(www.xing528.com)

图10-11　基体裂纹与界面剥离

图10-12所示为碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸试样断面照片。由于界面强度较大，应力集中现象严重，因此裂纹易穿过纤维束发生断裂，断面呈高低不平状。图10-13所示为玻璃纤维/聚酯复合材料的拉伸断面照片。这时界面强度较弱，裂纹方向易发生偏转，因此发生大范围纤维拔出现象。

图10-12　碳纤维/环氧树脂复合材料拉伸断面

图10-13　玻璃纤维/聚酯复合材料拉伸断面

单层板横向拉伸时的拉伸曲线如图10-14所示。与单纯的树脂材料相比，单层板由于加进了纤维，其横向强度和断裂应变大大降低。因为在此情况下，纤维对强度基本没有贡献，反而会引起局部应力集中。

图10-14　三种聚酯材料及相应单层板的横方向拉伸性能

（a）聚酯材料单层板拉伸曲线；（b）玻璃纤维/聚酯复合材料单层板拉伸曲线

单层板可能发生的剪切模式如图10-15所示。几种单层板的强度实测值如表10-3所示。

图10-15　单层板剪切模式

表10-3　单层板强度实测值