復(fù)合材料強(qiáng)度測試試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分。每題只有一個(gè)正確答案，請將正確選項(xiàng)字母填入括號(hào)內(nèi)）1.對單向碳纖維/環(huán)氧層合板進(jìn)行縱向拉伸試驗(yàn)時(shí)，若纖維體積分?jǐn)?shù)為60%，實(shí)測拉伸強(qiáng)度為2200MPa，已知纖維強(qiáng)度σf=3500MPa，基體對縱向強(qiáng)度的貢獻(xiàn)可忽略，則該復(fù)合材料的纖維強(qiáng)度利用率最接近下列哪一數(shù)值？（）A.0.63B.0.71C.0.78D.0.852.在三點(diǎn)彎曲測試中，若跨厚比L/h=16，試樣寬度b=12.7mm，厚度h=2.0mm，實(shí)測彎曲強(qiáng)度為σf=850MPa，則破壞載荷P最接近（）A.680NB.850NC.1020ND.1360N3.采用短梁剪切（SBS）法測定層間剪切強(qiáng)度時(shí)，ASTMD2344規(guī)定跨厚比為（）A.2B.4C.8D.164.對[0/90/0/90]S對稱層合板進(jìn)行面內(nèi)壓縮試驗(yàn)，若單層0°壓縮強(qiáng)度為1200MPa，90°壓縮強(qiáng)度為200MPa，則首次出現(xiàn)基體微屈曲的臨界載荷對應(yīng)的宏觀應(yīng)變?chǔ)與可用下列哪一經(jīng)驗(yàn)公式估算？（）A.εc=0.6×10?3B.εc=1.2×10?3C.εc=2.0×10?3D.εc=3.5×10?35.采用Iosipescu剪切試驗(yàn)測定±45°編織碳/環(huán)氧的剪切模量G12，若應(yīng)變片測得±45°方向正應(yīng)變?chǔ)舩=0.8%，εy=?0.75%，則G12最接近（）A.4.2GPaB.5.1GPaC.6.3GPaD.7.4GPa6.在濕熱環(huán)境下，T300/環(huán)氧層合板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg由干態(tài)的195℃降至濕態(tài)的155℃，若采用120℃高溫拉伸，濕態(tài)強(qiáng)度保持率與干態(tài)相比約下降（）A.5%B.10%C.15%D.25%7.采用雙懸臂梁（DCB）試驗(yàn)測得復(fù)合材料I型層間斷裂韌性GIc，若載荷?位移曲線線性段斜率m=350N/mm，裂紋長度a=35mm，試樣寬度b=20mm，彈性模量E11=140GPa，則GIc計(jì)算式為（）A.GIc=3P2a2/(2bE1h3)B.GIc=3P2a2/(bE1h3)C.GIc=12P2a2/(bE1h3)D.GIc=P2a2/(2bE1h3)8.對[0/±60]S層合板進(jìn)行開孔拉伸，孔徑6mm，板寬36mm，應(yīng)力集中系數(shù)Kt與孔邊無缺口強(qiáng)度σ0之比定義為剩余強(qiáng)度系數(shù)RS，若σ0=1800MPa，實(shí)測σN=1250MPa，則RS為（）A.0.58B.0.69C.0.75D.0.819.在落錘沖擊（CAI）試驗(yàn)中，沖擊能量4.5J/mm，沖擊后壓縮強(qiáng)度保持率CAI%與凹坑深度d相關(guān)，經(jīng)驗(yàn)公式CAI%=100?15d(mm)，若測得d=0.8mm，則CAI%為（）A.78%B.82%C.88%D.92%10.采用ASTMD6641組合加載壓縮（CLC）夾具，試樣標(biāo)距長L=12.7mm，寬b=12.7mm，厚h=2.0mm，實(shí)測破壞載荷P=18.5kN，則壓縮強(qiáng)度σc為（）A.728MPaB.845MPaC.928MPaD.1050MPa二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分。每題有兩個(gè)或兩個(gè)以上正確答案，多選、少選、錯(cuò)選均不得分）11.下列哪些因素會(huì)顯著降低碳纖維/環(huán)氧層合板的橫向拉伸強(qiáng)度？（）A.纖維表面氧化過度B.孔隙率>2%C.纖維體積分?jǐn)?shù)>70%D.吸濕率>1.2%E.固化降溫速率過快12.關(guān)于復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度ILSS的測試方法，下列說法正確的有（）A.短梁剪切法得到的ILSS為表觀值，非真實(shí)剪切強(qiáng)度B.采用V型缺口梁剪切（ASTMD5379）可獲得純剪切狀態(tài)C.四點(diǎn)彎曲法可避免層間剪切與彎曲耦合D.薄壁管扭轉(zhuǎn)法可測得面內(nèi)剪切強(qiáng)度而非層間剪切E.若試樣發(fā)生明顯塑性變形，ILSS結(jié)果需用0.2%偏移法修正13.在采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)測量層合板開孔拉伸全場應(yīng)變時(shí)，下列操作正確的有（）A.噴涂黑白散斑前需用酒精擦拭表面脫模劑B.散斑平均直徑宜取3~5像素C.子區(qū)大小應(yīng)大于散斑直徑的3倍D.計(jì)算應(yīng)變前需進(jìn)行剛體位移校正E.采用雙攝像頭系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)三維形貌測量14.下列關(guān)于復(fù)合材料疲勞壽命預(yù)測模型的描述，正確的有（）A.剩余剛度模型以彈性模量退化作為失效判據(jù)B.剩余強(qiáng)度模型假設(shè)疲勞強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)線性下降C.疲勞極限圖（Goodman圖）可用于均值應(yīng)力修正D.累積損傷法則中，Miner法則適用于隨機(jī)譜載E.采用Paris公式可預(yù)測疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN15.在低溫?60℃環(huán)境下，下列哪些現(xiàn)象可能導(dǎo)致碳/環(huán)氧層合板強(qiáng)度異常下降？（）A.基體玻璃化轉(zhuǎn)變B.纖維?基體界面脫粘C.基體脆性增大D.熱殘余拉應(yīng)力增大E.纖維微裂紋萌生三、填空題（每空2分，共20分）16.對單向?qū)雍习暹M(jìn)行縱向拉伸，若纖維強(qiáng)度σf=4200MPa，基體強(qiáng)度σm=80MPa，纖維體積分?jǐn)?shù)Vf=65%，按混合律估算的縱向拉伸強(qiáng)度σL=________MPa。17.在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，若跨距L=80mm，試樣厚度h=4mm，寬度b=15mm，實(shí)測破壞載荷P=1.2kN，則彎曲強(qiáng)度σf=________MPa。18.采用ASTMD3518對[±45]2S層合板進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn)，若測得0°方向拉伸模量Ex=16.2GPa，則面內(nèi)剪切模量G12=________GPa。19.對層合板進(jìn)行I型層間斷裂韌性DCB試驗(yàn)，若裂紋擴(kuò)展Δa=5mm，對應(yīng)的應(yīng)變能釋放率GIc=0.28kJ/m2，則臨界載荷Pc=________N。（已知E11=150GPa，h=3mm，b=20mm）20.在濕熱環(huán)境下，吸濕率M=1.5%，經(jīng)驗(yàn)公式給出濕態(tài)壓縮強(qiáng)度保持率R=100?8M，則R=________%。21.采用落錘沖擊，沖擊頭質(zhì)量5kg，下落高度1m，試樣厚度3mm，則沖擊能量E=________J/mm。22.對[0/90/0]S層合板進(jìn)行自由邊緣應(yīng)力分析，若每層厚度t=0.125mm，則自由邊緣層間正應(yīng)力σz在90/0界面處出現(xiàn)奇異，其奇異指數(shù)λ≈________。23.采用Hashin失效準(zhǔn)則判斷單向?qū)雍习逶讦?=1800MPa，σ2=60MPa，τ12=40MPa作用下是否失效，已知Xt=2000MPa，Xc=1200MPa，Yt=60MPa，Yc=200MPa，S=80MPa，則纖維拉伸失效指數(shù)FI=________。24.對編織碳/環(huán)氧進(jìn)行面內(nèi)剪切疲勞，應(yīng)力比R=0.1，最大剪切應(yīng)力τmax=120MPa，疲勞極限τf=90MPa，則Goodman圖均值應(yīng)力修正后的等效剪切應(yīng)力幅τa=________MPa。25.采用超聲波C掃描檢測孔隙率，若衰減系數(shù)α=1.2dB/cm，試樣厚度d=2mm，經(jīng)驗(yàn)公式孔隙率P=0.23α?0.05，則P=________%。四、簡答題（每題10分，共30分）26.闡述短梁剪切（SBS）試驗(yàn)測定層間剪切強(qiáng)度ILSS的局限性，并提出兩種改進(jìn)方案以提高測試精度。27.說明采用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)測量開孔層合板孔邊應(yīng)變集中時(shí)，散斑制備、圖像采集與數(shù)據(jù)后處理的關(guān)鍵步驟及注意事項(xiàng)。28.對比ASTMD6641組合加載壓縮（CLC）與ASTMD695端加載壓縮兩種方法的夾具特點(diǎn)、應(yīng)力狀態(tài)差異及其對測試結(jié)果的影響。五、計(jì)算與綜合應(yīng)用題（共65分）29.（15分）某單向碳/環(huán)氧層合板用于無人機(jī)主承力桿，纖維體積分?jǐn)?shù)Vf=62%，纖維彈性模量Ef=230GPa，基體模量Em=3.5GPa，纖維強(qiáng)度σf=4100MPa，基體強(qiáng)度σm=90MPa，界面剪切強(qiáng)度τi=60MPa。試：（1）按混合律計(jì)算縱向彈性模量E11；（2）按混合律估算縱向拉伸強(qiáng)度σL；（3）若實(shí)測σL=2400MPa，求纖維強(qiáng)度利用率；（4）分析實(shí)測值低于理論值的主要原因（至少三點(diǎn)）。30.（20分）對[0/45/90/?45]2S對稱層合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，跨距L=100mm，試樣總厚h=4mm，單層厚t=0.125mm，寬度b=25mm，各方向單層模量已知：E1=140GPa，E2=9GPa，G12=5GPa，ν12=0.3。試：（1）計(jì)算該層合板的等效彎曲模量Ex；（2）若實(shí)測破壞載荷P=2.1kN，求彎曲強(qiáng)度σf；（3）采用經(jīng)典層合板理論計(jì)算最外層0°單層的面內(nèi)應(yīng)力σx；（4）判斷最外層0°單層是否發(fā)生纖維拉伸失效（Xt=2200MPa）。31.（30分）某航空碳纖維/環(huán)氧蒙皮壁板含φ6mm中央圓孔，板寬W=36mm，板厚t=3mm，鋪層[45/0/?45/90]3S，材料常數(shù)：E1=150GPa，E2=10GPa，G12=5GPa，ν12=0.3，Xt=2200MPa，Xc=1200MPa，Yt=60MPa，Yc=200MPa，S=80MPa。試：（1）采用有限寬板應(yīng)力集中系數(shù)圖，查得Kt=3.2，求孔邊最大縱向應(yīng)力σ1max；（2）采用特征尺寸法（d0=1.0mm），估算開孔拉伸強(qiáng)度σN；（3）若實(shí)測σN=1050MPa，與估算值對比并分析誤差來源；（4）提出提高開孔拉伸剩余強(qiáng)度的三種工程措施，并定量說明其效果（給出經(jīng)驗(yàn)公式或文獻(xiàn)數(shù)據(jù)支持）。六、答案與評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)一、單項(xiàng)選擇題1.A2.C3.B4.B5.B6.C7.A8.B9.C10.A二、多項(xiàng)選擇題11.ABDE12.ABDE13.ACDE14.ACDE15.BCDE三、填空題16.273017.18018.5.519.25620.8821.16.322.?0.3223.0.8124.8525.0.23四、簡答題26.局限性：1.剪切面同時(shí)存在正應(yīng)力，非純剪切；2.跨厚比小導(dǎo)致擠壓與彎曲耦合；3.裂紋擴(kuò)展路徑不沿界面，結(jié)果偏低；4.對厚度敏感，無法獲得真實(shí)剪切強(qiáng)度。改進(jìn)：1.采用V型缺口梁剪切（ASTMD5379），實(shí)現(xiàn)純剪切；2.采用Iosipescu剪切，缺口處剪應(yīng)力均勻；3.采用±45°拉伸剪切（ASTMD3518），獲取面內(nèi)剪切強(qiáng)度。27.關(guān)鍵步驟：1.表面清潔→噴砂→噴底漆→黑白散斑直徑3~5像素；2.雙攝像頭標(biāo)定誤差<0.02像素，采集幀率≥5Hz；3.子區(qū)大小≥3倍散斑直徑，步長取散斑半徑；4.剛體位移校正采用參考子區(qū)；5.應(yīng)變計(jì)算采用Gaussian濾波窗口5像素，去除噪聲；6.孔邊奇異區(qū)采用子像素插值，誤差<50με。28.CLC夾具通過組合剪切與端部加載，剪切載荷占比約40%，有效避免端部壓潰；應(yīng)力狀態(tài)為沿長度方向均勻壓縮，失穩(wěn)模態(tài)為剪切型屈曲；D695端加載依賴端面摩擦，易早期壓潰，應(yīng)力集中系數(shù)高，結(jié)果偏低約10~15%；CLC適用于高模量薄板，D695僅適用于厚板或低模量材料。五、計(jì)算與綜合應(yīng)用題29.（1）E11=230×0.62+3.5×0.38=143.9GPa（2）σL=4100×0.62+90×0.38=2574MPa（3）利用率=2400/2574=0.93（4）原因：1.纖維強(qiáng)度離散；2.界面脫粘；3.孔隙缺陷；4.纖維波浪度；5.殘余熱應(yīng)力。30.（1）經(jīng)經(jīng)典層合板計(jì)算，等效Ex=54.2GPa（2）σf=3PL/(2bh2)=3×2100×100/(2×25×42)=787.5MPa（3）最外層0°應(yīng)力σx=M·z·Q11/I=787.5×2×0.805=1268MPa（4）1268MPa<2200MPa，未失效。31.（1）σ1max=Kt·σ