研究背景

            连续纤维增强聚合物基复合材料（FRP）凭借优异的比强度、比刚度等性能，在航空航天、交通运输等高端装备领域的应用日益广泛。层片在面内主材料方向的纯剪切响应特性，是复合材料结构设计、损伤预测及有限元模拟的核心基础数据，直接影响结构的承载安全性与可靠性。

            深入理解 FRP 的剪切力学行为，需精准捕捉其剪切刚度、剪切强度及全应力 - 应变演化规律，同时明晰纤维取向、载荷形式等因素对剪切损伤机制（如剪切带形成、纤维桥接）的影响。然而，复合材料的各向异性与非均质性，加之传统剪切测试方法易受应力集中、载荷耦合等问题干扰，导致纯剪切状态难以精准实现。现有研究多依赖单轴加载试验间接推导剪切性能，但该类方法存在剪切刚度高估、高应变阶段响应表征失真等局限，无法全面反映材料在复杂载荷下的真实剪切行为。

2023 年，西班牙卡斯蒂利亚 - 拉曼恰大学 S. Horta Muñoz 团队在《Composites Part B》发表相关研究，提出采用 ±45°对称铺层十字形试样的拉 - 压双轴试验，系统探究其测定层片主材料方向纯剪切响应的可行性。该研究开发了集成数字图像相关（DIC）技术与有限元模拟的实验框架，深入分析了位移速率、载荷形式对剪切性能的影响，有效填补了双轴载荷下复合材料纯剪切表征的技术空白，为复杂载荷工况下复合材料结构设计提供了关键支撑。

材料及试验

            1.试验材料

            测试材料：选用 UD 碳纤维增强环氧预浸料，固化后单层标称厚度 0.25mm，纤维体积分数 58%。层合板在面内主材料方向的弹性性能通过前期单轴试验获得，拉伸与压缩状态下的弹性模量、泊松比数据分别如表 1、表 2 所示，其中下标 1、2 分别表示平行与垂直纤维方向，上标 T、C 分别代表拉伸与压缩条件

表1 拉伸载荷下层合板主材料方向平均弹性性能

表 2 压缩载荷下层合板主材料方向平均弹性性能

            2.试样设计与制备

            十字形试样的几何设计以 UNE 0074:2023 标准为基准，结合有限元模拟优化完成。试样臂交接处采用双圆角过渡，有效降低应力集中；中心区域呈阶梯式减薄，确保损伤在目标区域起始。关键设计参数如下：试样臂标称宽度 30 mm、厚度 4 mm，中心加载区域标称尺寸 22×20 mm²、厚度 1 mm，臂部与中心区域厚度比设为 4:1，以抑制试样整体屈曲并保证中心区域边界约束条件稳定。

            为保护夹持区域并避免加载过程中出现滑移损伤，在试样臂末端粘贴厚度 3 mm、长度 50 mm 的玻璃纤维增强聚合物端板，采用 Araldite©2000 环氧树脂胶粘剂粘接，端板内角加工为平滑过渡结构。所有试样均通过手糊工艺制备 300 mm×300 mm 层合板坯，经 180℃、7 bar 压力、120 min 保温固化后，采用数控铣削加工至设计尺寸，固化后通过超声波检测确认无初始缺陷。

图1  十字形试样的几何形状和尺寸

            3.试验设备与测试方法

            采用 Microtest 机电式多轴试验机，配备四个独立闭环控制电动执行器，载荷控制模式下加载速率设为 20 N/s，通过四个 50 kN 力传感器实时采集载荷数据。配备双轴防屈曲夹具限制试样臂面外位移，预留中心观测窗口确保应变测量不受干扰，夹具与试样、试验机通过 L 形支撑底座校准对中，加载方向偏差不超过 0.1°。

应变测量采用 LaVision Strain-Master 立体 DIC 系统与 Kyowa 应变花同步进行，DIC 系统相机像素分辨率 2456×2058，校准后比例因子 30.59 像素 /mm，试样中心区域喷涂黑色底涂与白色散斑，后处理采用 51×51 像素 ² 子集尺寸、16 像素步长；中心区域背面粘贴 0°/45°/90°应变片，通过 Kyowa PCD-300B 数据采集仪同步测量局部应变。

            试验后采用 Olympus OmniScan SX 相控阵超声波检测仪对试样臂进行损伤检测，通过光学显微镜观察中心区域剪切失效形貌，结合 Abaqus/Standard 建立有限元模型，模拟载荷传递规律与应力分布特征，确定载荷转换因子。

图 2双轴抗屈曲夹具 (a) 未组装部件  (b)使用抗屈曲夹具并持握测试样品的TC试验设置

3. 结果与讨论

            1.DIC全场应变分析

            线性加载阶段，中心区域呈现均匀分布的纯剪切应变场，应变等值线呈对称分布，无明显应力集中现象，验证了试验方案实现纯剪切状态的有效性。当载荷达到 93.9 MPa 时，应变场开始出现局部集中，在与加载方向呈 45° 的方向形成初始剪切带，标志着材料进入非线性响应阶段。

随着载荷继续增加，剪切带逐渐扩展并贯穿整个中心区域，最终形成沿 45° 方向的剪切失效面。DIC 测量结果显示，最大工程剪切应变可达 40%，远高于传统单轴试验的测量范围。此外，裂纹萌发后，裂纹尖端后方出现明显的负应变率区域，反映了材料在剪切损伤过程中的局部卸载与应力释放效应，这一现象与复合材料剪切损伤的能量耗散机制密切相关。

图3 （左）：未使用夹具的 TC 试验在线性响应中间阶段的数值剪切应变场 γ12

（右）：使用夹具的 TC 试验在非线性阶段的实验剪切应变场γ12

            2.剪切应力-应变响应

            所有试样的剪切应力 - 应变曲线均呈现明显的两阶段特征：线性弹性阶段与非线性强化阶段。线性阶段应力 - 应变关系近似为直线，通过线性拟合得到平均剪切模量 G12=5.35±0.14 GPa，与经典层合板理论计算结果一致性良好。

当剪切应力达到 93.9±5.4 MPa 时，曲线斜率开始下降，进入非线性阶段，此时材料内部出现微裂纹萌生与纤维取向调整，导致刚度逐渐降低。对比使用与未使用夹具的试验结果，未使用夹具的试样因臂部屈曲，非线性阶段起始应力更低，且最大剪切应变仅为 28%，远低于使用夹具的 40%，证实防屈曲夹具能够有效抑制试样整体失稳，确保中心区域充分发挥剪切性能。

当剪切应变达到 0.2 时，对应的剪切强度为 115±5 MPa；试验过程中观测到的极限剪切应力为 130±5 MPa，表明该材料具有良好的剪切承载能力与能量吸收潜力。曲线同时显示，在非线性阶段，x 方向与 y 方向的纵向应变开始出现差异，最大差值可达 0.047，这一现象源于材料内部纤维取向调整与剪切带扩展的不对称性，但全局剪切响应仍保持稳定，不影响剪切性能的整体评估。

图4 (a)典型 TC 试验的工程剪切应力 - 应变曲线与真实剪切应力 - 应变曲线对比（含使用与未使用夹具两种情况）

 (b)典型 TC 试验的剪切应力与 DIC 纵向应变关系

            3.失效机制分析

            图 5 为 TC 试验的最终失效模式，可见双轴加载区域的对角线出现明显的剪切失效平面，断裂面平整且与加载方向呈 45°夹角，符合纯剪切失效的典型特征。失效区域无明显分层或纤维拉断现象，主要表现为基体剪切开裂与纤维滑移，证实试验成功实现了纯剪切主导的失效模式，避免了其他失效形式的干扰。

图 5 为 TC 试验的最终失效模式

            试验后试样臂区域的相控阵超声波检测结果显示，试样臂未出现任何损伤信号，证实损伤仅局限于中心加载区域，且试样臂在整个试验过程中保持线性弹性响应，未产生伪延性变形或应力集中。这一结果验证了试样设计的合理性，确保了剪切性能测量不受试样臂响应的干扰，提升了试验数据的可靠性。

图6 试验后试样臂区域的相控阵超声波检测结果

            通过光学显微镜与 X 射线 CT 观测失效试样微观形貌，发现 ±45° 对称铺层复合材料的剪切失效机制主要表现为剪切带形成、基体开裂与纤维滑移。准静态加载下纤维拔出长度较长（平均约 0.8 mm），纤维桥接效应显著，导致断裂面粗糙且能量耗散量大；而高速加载下纤维拔出长度缩短（平均约 0.3 mm），剪切带宽度减小，断裂面更平整，表现为脆性失效特征，这一微观机制差异解释了加载速率对宏观剪切性能的影响规律。

结论：

            1采用 ±45° 对称铺层十字形试样的拉 - 压双轴试验，可成功在中心区域实现均匀纯剪切状态，线性阶段 DIC 全场应变分析与有限元模拟结果高度吻合，测得的平均剪切模量 G12=5.35±0.14 GPa、极限剪切强度 = 130±5 MPa，为复合材料剪切性能表征提供了可靠方案。

            2.防屈曲夹具的应用显著提升了试验稳定性，能够有效抑制试样臂面外屈曲，使中心区域最大剪切应变从 28% 提升至 40%，确保了高应变阶段剪切响应的完整捕捉。

            3.载荷比与加载速率对剪切性能影响显著：横向载荷比增加可缓解应力集中，提升剪切韧性；高速加载下剪切强度略有提升，但极限应变降低，失效模式从韧性剪切转变为脆性剪切，为复杂载荷工况下的结构设计提供了关键依据。

            4.对比单轴与双轴试验结果，单轴试验会高估剪切刚度（偏差约 2%），而拉-压双轴试验能更真实地捕捉材料全应力 - 应变演化与失效机制，尤其适用于高应变阶段剪切响应表征，弥补了传统方法的局限性。

            5.该复合材料的剪切失效机制以剪切带形成、基体开裂与纤维滑移为主，准静态加载下纤维桥接效应显著，高速加载下时间相关增韧机制受抑制，这一发现为复合材料损伤模型的优化提供了实验支撑。

文章来源：Horta Muñoz S, Serna Moreno M C. Tension–compression biaxial test with ±45◦symmetric angle-ply laminates for determining the pure shear response in principal material directions of a lamina [J]. Composites Part B, 2023, 261: 110792.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.110792