复合材料因高比强度、各向异性及可设计性，广泛应用于航空航天、汽车等领域。但实际服役中，构件常承受拉-剪、拉-扭等多轴应力，单轴屈服测试无法反映真实失效行为。多轴加载实验设计作为评估其屈服强度的核心环节，需通过模拟真实应力状态、优化试样与加载方案，为失效准则建立提供可靠数据。
多轴加载实验的核心目标与需求
复合材料的屈服行为高度依赖应力状态。例如，飞机机翼蒙皮承受轴向拉伸与面内剪切的组合应力，单轴测试仅能给出轴向或剪切的单独性能，无法反映两者耦合后的屈服极限。多轴实验的核心目标，是模拟真实应力组合，获取不同“轴比”（各轴应力的比例）下的屈服数据，揭示“塑性耦合”现象——不同加载轴的塑性变形相互影响（如拉伸会降低扭转方向的屈服门槛）。
此外，多轴实验需为结构设计的失效准则（如Tsai-Wu准则）提供支撑。例如，航空发动机短舱的复合材料层合板，需通过拉-扭实验建立“轴比-屈服强度”关系，确保设计载荷不超过多轴屈服极限。
试样设计的关键原则与类型选择
试样需满足三大原则：均匀应力分布（测试区应力一致）、易于多轴加载、减少应力集中。平面多轴实验（如拉-拉、拉-压）常用十字形试样：中心区为测试区，四个臂用于施加不同方向载荷。设计时需优化臂长（通常为中心区尺寸的5倍）与倒圆角（半径≥5mm），避免边缘应力集中。例如，碳纤维/环氧树脂[0/90]s铺层的十字形试样，中心区尺寸20mm×20mm，臂长100mm，厚度2mm，可模拟面内各向异性。
三维多轴实验（如拉-扭-内压）选择管状试样：通过轴向拉伸、周向扭转与内部压力的组合，模拟三维应力状态。管状试样需满足密封要求（承受内压），壁厚均匀（偏差≤5%）。例如，玻璃纤维增强塑料的管状试样，内径20mm，壁厚3mm，长度150mm，两端加固以防止夹具夹持破坏。
加载路径的设计与实现
加载路径分为比例加载（各轴应力按固定比例增加）与非比例加载（应力比例变化）。比例加载模拟“稳态”场景（如匀速飞行的机翼），例如拉-扭实验中，扭转角与拉伸位移同步增加（比例1:0.1）；非比例加载模拟“动态”场景（如飞机起降），例如先拉后扭或交替加载，这类路径常导致更早屈服（塑性耦合效应）。
加载路径需通过电液伺服系统的“闭环控制”实现：实时调整各轴加载速率，确保应力比例误差≤2%。例如，拉-扭实验中，轴向载荷速率0.5mm/min，扭转速率0.1rad/min，系统每秒调整1000次参数，保证同步性。
应力状态的精准控制方法
精准控制应力状态需解决“载荷同步性”与“应力均匀性”问题。载荷同步性通过“主从控制”实现：以某一轴（如轴向）为基准，其他轴（如扭转）跟随其载荷变化。例如，拉-扭实验中，轴向载荷速率100N/s，扭转速率自动调整为5N·m/s，确保应力比恒定。
应力均匀性通过传感器监测：十字形试样中心区贴三向应变片（0°、45°、90°），测取主应变与剪应变，验证应力均匀；管状试样内壁贴环向应变片，监测内压引起的周向应力。加载速率需采用“准静态”（≤1mm/min），避免惯性力影响。
实验设备与夹具的匹配设计
平面多轴实验用双轴电液伺服试验机（轴向±100kN，横向±50kN），三维多轴实验需增加扭转或内压模块。夹具需与试样匹配：十字形试样用“四点夹持”夹具，四个臂独立夹持，避免偏载；夹具材质选7075-T6铝合金（硬度高于复合材料），防止变形。
管状试样的夹具需密封：
一、端连拉伸杆，另一端连扭转接头，内部通高压油（内压）。密封用氟橡胶O型圈（耐油耐高温），确保压力波动≤1%。夹具安装后需用激光对中仪校准（同轴度偏差≤0.1mm），避免附加弯矩。
测量系统的选择与优化
测量需覆盖“应变-载荷-位移”全参数：应变片适合局部精准测量——[0/90]铺层的十字形试样，贴0°（轴向）、90°（横向）与45°（剪向）应变片，测取各向应变；数字图像相关（DIC）适合全场分析——通过高速相机拍摄散斑图案，计算测试区全场应变，直观显示应力均匀区范围（通常为中心区80%）。
引伸计选非接触式（如激光引伸计），避免与扭转载荷干扰。例如，拉-扭实验中，激光引伸计测轴向位移，精度0.001mm，不影响扭转变形。
数据处理与屈服强度的提取
数据处理分三步：首先筛选有效数据——去除载荷突降（提前断裂）、应变噪声大（>5%）的试验，同一路径下3次重复试验的屈服偏差≤3%；其次计算应力——十字形试样轴向应力σ1=P1/(b×t)（P1为轴向载荷，b为中心区宽度，t为厚度），横向应力σ2=P2/(b×t)；最后用Tsai-Wu准则判断屈服（考虑各向异性）：F1σ1+F2σ2+F11σ1²+F22σ2²+2F12σ1σ2=1，等式成立时的应力即为多轴屈服强度。
例如，碳纤维/环氧树脂[0/90]s试样的拉-剪实验，σ1=150MPa，τ=50MPa，代入Tsai-Wu准则得失效指数=1，此时的σ1与τ即为该轴比下的屈服强度。