軸心受壓CFRP管穩(wěn)定性研究.pdf

1、如何在保證強(qiáng)度與剛度滿足需求的前提下減輕飛行器重量是科研人員一直關(guān)注的問(wèn)題。相比于傳統(tǒng)金屬材料，采用輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱CFRP），不僅可以滿足結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度需求，又可以大幅度地減輕結(jié)構(gòu)重量。然而不同于傳統(tǒng)金屬材料，CFRP材料力學(xué)性能的研究仍有待完善，特別是纏繞型 CFRP管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論幾乎處于空白。為此，本文進(jìn)行了纏繞型 CFRP管軸壓試驗(yàn)，從細(xì)觀角度

2、出發(fā)，通過(guò)有限元分析并結(jié)合細(xì)觀力學(xué)理論，得到了纖維纏繞型復(fù)合材料細(xì)長(zhǎng)管的穩(wěn)定公式。與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，該公式對(duì)于纏繞型 CFRP管的軸壓穩(wěn)定性設(shè)計(jì)具有普遍的指導(dǎo)意義。論文主要工作如下：
　　1.對(duì)三種不同纏繞角度和長(zhǎng)細(xì)比下的CFRP圓管進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，著重觀察了樹(shù)脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的剛度、極限強(qiáng)度、以及宏觀、細(xì)觀破壞模式，為細(xì)觀損傷模型的建立提供指導(dǎo)。
　　2.本文詳盡且細(xì)致的剖析了國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，對(duì)纏繞型復(fù)合材料

3、的制作方法，組分結(jié)構(gòu)，力學(xué)模型和試驗(yàn)研究理論進(jìn)行展開(kāi)，同時(shí)詳盡介紹了當(dāng)前復(fù)合材料非線性力學(xué)性能的不同損傷模型，給出了針對(duì)纏繞型 CFRP管力學(xué)性能研究的基本流程：為了體現(xiàn)復(fù)合材料拉壓雙模量等特征，從細(xì)觀層面進(jìn)行分析，結(jié)合Chamis C.C模型，得到單根纖維束的剛度及強(qiáng)度特性，將細(xì)觀力學(xué)性能分析結(jié)果引入到宏觀層面進(jìn)行ANSYS有限元本構(gòu)用戶子程序（UMAT）開(kāi)發(fā)，進(jìn)而對(duì)構(gòu)件進(jìn)行有限元建模，通過(guò)引入U(xiǎn)MAT子程序，得到CFRP管的線彈性受

4、力性能。
　　3.當(dāng)纖維纏繞角度在一定范圍內(nèi)且CFRP管長(zhǎng)細(xì)比較小時(shí)，纖維和基體的損傷起始時(shí)刻對(duì)應(yīng)的構(gòu)件外荷載要小于構(gòu)件所能承受的極限荷載，此類構(gòu)件受壓時(shí)隨著荷載的增大會(huì)產(chǎn)生非彈性屈曲。因此進(jìn)行了復(fù)合材料累積損傷破壞過(guò)程的模擬。基于Hashin初始損傷準(zhǔn)則，建立了細(xì)觀損傷模型，分別考慮了纖維和基體不同的細(xì)觀破壞模式：纖維拉伸斷裂；纖維壓縮屈曲；基體拉伸剪切；基體壓縮剪切。采用損傷力學(xué)理論，對(duì)損傷規(guī)律進(jìn)行了規(guī)劃。通過(guò)將細(xì)長(zhǎng)管和短管模

5、擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，得到了適用性較強(qiáng)的損傷系數(shù)閥值和纖維束各方向斷裂能，從而實(shí)現(xiàn)了纏繞型 CFRP管在不同長(zhǎng)細(xì)比下的累積損傷分析，并得到了所對(duì)應(yīng)的極限荷載值。
　　4.由于纏繞型CFRP管的工藝參數(shù)較多，而每種參數(shù)又對(duì)構(gòu)件的力學(xué)性能有較大的影響。為了得到較為可靠的CFRP細(xì)長(zhǎng)管穩(wěn)定承載力計(jì)算公式，比較了各種工藝參數(shù)（纖維纏繞角度，纖維體積含量，鋪層厚度，構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比等）對(duì)構(gòu)件極限承載力的影響，結(jié)合層合板理論，提出了可以體現(xiàn)