試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1、航空有機(jī)玻璃溫度效應(yīng)試驗(yàn)研究12化本3班 2012364324 李穗環(huán)摘要：由于隨著對飛機(jī)性能要求的提高，對機(jī)用有機(jī)玻璃的要求愈來愈高。因此，研究飛機(jī)有機(jī)玻璃溫度效應(yīng)具有十分重要的意義。當(dāng)溫度較高情況時(shí)，有機(jī)玻璃會(huì)發(fā)生裂紋擴(kuò)展或蠕變行為等等，本文將會(huì)研究溫度對有機(jī)玻璃裂紋擴(kuò)展速率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，有機(jī)玻璃隨著溫度升高，裂紋擴(kuò)展速率減小，斷裂韌度增大。 關(guān)鍵詞：有機(jī)玻璃 裂紋擴(kuò)展速率 溫度 數(shù)據(jù)處理1、 引言 有機(jī)玻璃稱聚甲基丙烯酸甲酯，又稱做壓克力，是平常經(jīng)常使用的玻璃替代材料，是迄今為止合成透明材料中性質(zhì)最優(yōu)異的。有機(jī)玻璃在航空中有廣泛應(yīng)用，飛機(jī)上的主要用途是制作飛機(jī)座艙蓋，飛機(jī)座艙蓋包

2、括座艙活動(dòng)蓋玻璃和風(fēng)擋玻璃，座艙活動(dòng)蓋玻璃和側(cè)風(fēng)擋玻璃使用的是單層有機(jī)玻璃，飛機(jī)座艙有機(jī)玻璃在使用過程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋；但是，裂紋的存在并不一定意味著座艙就存在危險(xiǎn)，這還要看裂紋所處的位置、方向、長度、裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài)以及實(shí)際飛行中的應(yīng)力、溫度等條件。本文將為大家簡單地講述航空有機(jī)玻璃的溫度效應(yīng)。2、有機(jī)玻璃2.1 航空有機(jī)玻璃的材質(zhì)特性有機(jī)玻璃是以甲基丙稀酸甲酯為主要原料，配合增塑劑，在催化劑作用下，經(jīng)聚合制得的透明聚甲基丙稀酸甲酯板材。力學(xué)性能特征基本上屬于硬而脆的塑料，且具有缺口敏感性，在應(yīng)力下易開裂，有一定的耐熱耐寒性，耐紫外線、耐腐蝕、絕緣性能良好，尺寸穩(wěn)定，易于加成型等優(yōu)點(diǎn)，

3、還具有很高的抗銀紋性和抗裂紋擴(kuò)展性。但其硬度較低，布氏硬度在170 220MPa之間，耐磨性差，易溶于極性有機(jī)溶劑。2.2 溫度對有機(jī)玻璃的影響溫度升高，有機(jī)玻璃軟化，強(qiáng)度、硬度變小，塑性增大。溫度升高還會(huì)引起化學(xué)變化。溫度到160以上時(shí)，聚甲基丙烯酸甲酯將開始產(chǎn)生裂解，分解出低分子物，使有機(jī)玻璃表面鼓泡，顏色變白，這種現(xiàn)象稱為“發(fā)霧”，會(huì)導(dǎo)致透明度大大降低。溫度降低，有機(jī)玻璃變硬，塑性減小，脆性增大，承受大載荷易裂紋。當(dāng)溫度急劇變化時(shí)，有機(jī)玻璃表面層與內(nèi)層溫度相差較大，表面層與內(nèi)層的膨脹程度相差更大，從而將產(chǎn)生應(yīng)力，在表面形成銀紋。2.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)2.3.1試樣與試驗(yàn)過程試驗(yàn)采用

4、緊湊拉伸CT(compact tension)試樣，試驗(yàn)尺寸如圖1所示(依據(jù)國家試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB 639886)。飛機(jī)艙蓋玻璃表面溫度在一55 100范圍內(nèi)變化 ，因此本文分別在溫度為一50、一25、18、60、90下應(yīng)力比R=01，頻率為1 Hz，正弦載荷下測量裂紋擴(kuò)展速率。在室溫下采用疲勞試驗(yàn)機(jī)引發(fā)初始裂紋，使得初始裂紋擴(kuò)展長度為025 mm一03mm長的裂紋，并使得裂紋前端擴(kuò)展平行。試驗(yàn)機(jī)為CSS 280 100 kN 電液伺服試驗(yàn)機(jī)；MT7006高低溫試驗(yàn)箱，溫度波動(dòng)為±05；最小精讀為002mm的顯微裂紋測量儀。試驗(yàn)過程為：(1)在頻率f= 1 Hz、應(yīng)力比R=0：1、Pmax

5、 =1 kN，室溫下預(yù)制初始裂紋。(2)調(diào)節(jié)環(huán)境箱溫度，將試樣在環(huán)境箱中放置2個(gè)小時(shí)，使得整個(gè)試樣溫度與設(shè)定溫度相同，開始在規(guī)定的應(yīng)力比和頻率下進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。(3)采用顯微裂紋測量儀讀取裂紋長度a，繪制a一N曲線。(4)計(jì)算dadN和K值在雙對數(shù)坐標(biāo)系中線性擬合dadN-K，計(jì)算直線的截距C和斜率m，并檢驗(yàn)相關(guān)性。(5)測量斷裂時(shí)裂紋擴(kuò)展的長度a ，計(jì)算K1 。2.3.2 數(shù)據(jù)處理有機(jī)玻璃屬于脆性材料，主要破壞形式為脆性斷裂，裂紋尖端塑性區(qū)的相對尺寸很小，應(yīng)力與應(yīng)變可認(rèn)為成正比。因此，可以用線彈性斷裂力學(xué)理論和方法進(jìn)行有機(jī)玻璃的疲勞裂紋擴(kuò)展性能試驗(yàn)和研究。CT試樣應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值計(jì)算公

6、式為K=P/(BW)f()其中B和W分別表示試樣的厚度和寬度，=aW，a為裂紋長度，P為循環(huán)載荷幅度，表示為 P=Pmax-Pmin R >0 ，P=Pmax R 0將P換為臨界載荷Pq。，即得到斷裂韌度Kl ，f()為修正系數(shù)。有機(jī)玻璃的完整疲勞裂紋擴(kuò)展曲線有三個(gè)明顯不同的擴(kuò)展區(qū)，分別為近門檻區(qū)、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)。國內(nèi)外工程設(shè)計(jì)壽命估算中普遍在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段(快速擴(kuò)展之前)，并且Paris公式也只適合于穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)。本文采用Paris公式研究有機(jī)玻璃穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)裂紋擴(kuò)展的速率：dadN= C(K)式中c和m是材料的常數(shù)，由試驗(yàn)確定。將上式兩邊取對數(shù)，可得到lg(dadN )=lg

7、C+mlgK上式在雙對數(shù)坐標(biāo)系上，表示為一條直線。直線的斜率是m，其截距即為lg c。3 試驗(yàn)結(jié)果及討論31 試驗(yàn)結(jié)果本文對航空有機(jī)玻璃在溫度分別為一50、一25、18 、60 、90時(shí)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，每個(gè)溫度點(diǎn)下做了三個(gè)試件，文中數(shù)據(jù)取每個(gè)溫度點(diǎn)下三個(gè)試件中較好一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如下。圖2曲線最左邊部分(數(shù)據(jù)點(diǎn)符號(hào)為v)，裂紋擴(kuò)展速率很慢，為近門檻區(qū)擴(kuò)展；曲線最右邊部分(數(shù)據(jù)點(diǎn)符號(hào)為)，裂紋擴(kuò)展速率很快，屬于高速擴(kuò)展區(qū)；中間部分(數(shù)據(jù)點(diǎn)符號(hào)為O)，裂紋擴(kuò)展速率比較穩(wěn)定，屬于裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)。32 數(shù)據(jù)分析在五個(gè)不同溫度下，有機(jī)玻璃裂紋擴(kuò)展速率曲線趨勢基本相同(如圖2)，都有開始擴(kuò)展的近門

8、檻區(qū)、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)。由表1中數(shù)據(jù)可知，采用Paris公式分析有機(jī)玻璃裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)速率是可靠的，各組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)都大于097；由圖3可以發(fā)現(xiàn)，溫度對有機(jī)玻璃裂紋擴(kuò)展速度影響很大，隨著溫度升高，裂紋擴(kuò)展速率降低。由表2可知，溫度升高，有機(jī)玻璃斷裂韌度增大(每個(gè)溫度點(diǎn)做三個(gè)試樣，表中數(shù)據(jù)為其斷裂韌度的平均值)。 4、結(jié)論本文在不同溫度下對有機(jī)玻璃裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行試驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)溫度對MDYB一3有機(jī)玻璃裂紋擴(kuò)展速率影響很大，有機(jī)玻璃的疲勞裂紋擴(kuò)展能受溫度影響，隨著溫度的升高，裂紋擴(kuò)展速率減小，斷裂韌度增大。 因此，有機(jī)玻璃的危險(xiǎn)工作狀況在低溫時(shí)，其斷裂韌度K低，會(huì)造成臨界載荷低，或在同樣載荷下臨界裂紋短，低溫時(shí)裂紋擴(kuò)展速率又高，更加劇了這種危險(xiǎn)，所以在制作飛機(jī)座艙蓋時(shí)，要考慮到溫度的影響。5、參考文獻(xiàn)：1 高宗戰(zhàn),劉偉,劉永壽,岳珠峰.MDYB3有機(jī)玻璃裂紋擴(kuò)展溫度效應(yīng)試驗(yàn)研究.2007,卷：820823.(SCI收錄)2 劉偉，高宗戰(zhàn)，岳珠峰 有機(jī)玻璃疲勞性能溫度效應(yīng)研究.20073 有機(jī)