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注的問題。相比于傳統(tǒng)金屬材料，采用輕質高強的碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP），不僅可以滿足結構的剛度及強度需求，又可以大幅度地減輕結構重量。然而不同于傳統(tǒng)金屬材料，CFRP材料力學性能的研究仍有待完善，特別是纏繞型 CFRP管的結構穩(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合細觀力學理論，得到了纖維纏繞型復合材料細長管的穩(wěn)定公式。與試驗結果對比，該公式對于纏繞型 CFRP管的軸壓穩(wěn)定性設計具有普遍的指導意義。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。
　　2.本文詳盡且細致的剖析了國內外復合材料的研究現狀，對纏繞型復合材料

3、的制作方法，組分結構，力學模型和試驗研究理論進行展開，同時詳盡介紹了當前復合材料非線性力學性能的不同損傷模型，給出了針對纏繞型 CFRP管力學性能研究的基本流程：為了體現復合材料拉壓雙模量等特征，從細觀層面進行分析，結合Chamis C.C模型，得到單根纖維束的剛度及強度特性，將細觀力學性能分析結果引入到宏觀層面進行ANSYS有限元本構用戶子程序（UMAT）開發(fā)，進而對構件進行有限元建模，通過引入UMAT子程序，得到CFRP管的線彈性受

4、力性能。
　　3.當纖維纏繞角度在一定范圍內且CFRP管長細比較小時，纖維和基體的損傷起始時刻對應的構件外荷載要小于構件所能承受的極限荷載，此類構件受壓時隨著荷載的增大會產生非彈性屈曲。因此進行了復合材料累積損傷破壞過程的模擬?；贖ashin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、擬結果和試驗數據進行比較分析，得到了適用性較強的損傷系數閥值和纖維束各方向斷裂能，從而實現了纏繞型 CFRP管在不同長細比下的累積損傷分析，并得到了所對應的極限荷載值。
　　4.由于纏繞型CFRP管的工藝參數較多，而每種參數又對構件的力學性能有較大的影響。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（纖維纏繞角度，纖維體積含量，鋪層厚度，構件長細比等）對構件極限承載力的影響，結合層合板理論，提出了可以體現