軸心受壓CFRP管穩(wěn)定性研究.pdf

1、如何在保證強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)注的問題。相比于傳統(tǒng)金屬材料，采用輕質(zhì)高強的碳纖維增強復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP），不僅可以滿足結(jié)構(gòu)的剛度及強度需求，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，本文進行了纏繞型 CFRP管軸壓試驗，從細觀角度

2、出發(fā)，通過有限元分析并結(jié)合細觀力學(xué)理論，得到了纖維纏繞型復(fù)合材料細長管的穩(wěn)定公式。與試驗結(jié)果對比，該公式對于纏繞型 CFRP管的軸壓穩(wěn)定性設(shè)計具有普遍的指導(dǎo)意義。論文主要工作如下：
　　1.對三種不同纏繞角度和長細比下的CFRP圓管進行了軸壓試驗，著重觀察了樹脂基碳纖維增強復(fù)合材料的剛度、極限強度、以及宏觀、細觀破壞模式，為細觀損傷模型的建立提供指導(dǎo)。
　　2.本文詳盡且細致的剖析了國內(nèi)外復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀，對纏繞型復(fù)合材料

3、的制作方法，組分結(jié)構(gòu)，力學(xué)模型和試驗研究理論進行展開，同時詳盡介紹了當(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，從細觀層面進行分析，結(jié)合Chamis C.C模型，得到單根纖維束的剛度及強度特性，將細觀力學(xué)性能分析結(jié)果引入到宏觀層面進行ANSYS有限元本構(gòu)用戶子程序（UMAT）開發(fā)，進而對構(gòu)件進行有限元建模，通過引入UMAT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管長細比較小時，纖維和基體的損傷起始時刻對應(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)件受壓時隨著荷載的增大會產(chǎn)生非彈性屈曲。因此進行了復(fù)合材料累積損傷破壞過程的模擬。基于Hashin初始損傷準則，建立了細觀損傷模型，分別考慮了纖維和基體不同的細觀破壞模式：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，對損傷規(guī)律進行了規(guī)劃。通過將細長管和短管模

5、擬結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)進行比較分析，得到了適用性較強的損傷系數(shù)閥值和纖維束各方向斷裂能，從而實現(xiàn)了纏繞型 CFRP管在不同長細比下的累積損傷分析，并得到了所對應(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細長管穩(wěn)定承載力計算公式，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)件長細比等）對構(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)