横向压溃载荷下碳纤维缠绕薄壁钢管的失效分析
来源期刊：玻璃钢/复合材料2019年第9期
论文作者：孙佳睿 马其华 蔡明 孙泽玉
文章页码：5 - 13
关键词：Steel/CFRP混合管;三点弯曲;缠绕层数;缠绕顺序;吸能特性;Von-Mises应力;
摘 要：采用三点弯曲试验和仿真相结合的方法分析了碳纤维增强复合材料（CFRP）缠绕钢（Steel）圆管在横向准静态载荷下的弯曲破坏行为。选取五种缠绕层数或顺序不同的Steel/CFRP混合管分析其受弯失效历程、失效模式以及吸能特性。结果表明:各混合管受横向载荷的失效历程基本与纯钢管保持一致,失效模式由钢管的稳定塌陷模式所主导,但纤维缠绕方式不同,失效形貌略有差异。在混合管的吸能特性方面,随着缠绕层数的增加,混合管的比吸能逐渐增大;±45°纤维的缠绕顺序分布对于其吸能特性影响较显著。相比增加缠绕层数而言,合理的缠绕顺序设计可以实现更好的吸能特性提升,其中Steel/CFRP[±45°/90°/90°]2的混合管比吸能最好,比纯钢管提高了41.37%。在此基础上,采用与试验一致性较好的有限元模型分析了混合管复合材料各层受载作用下的Von-Mises应力分布,证明了不同缠绕角度对于应力承担量的不同作用,为改进纤维缠绕方式提供了依据。
孙佳睿1，马其华1,2，蔡明3，孙泽玉2
1. 上海工程技术大学机械与汽车工程学院2. 纤维材料改性国家重点实验室(东华大学)3. 上海工程技术大学航空运输学院
摘 要：采用三点弯曲试验和仿真相结合的方法分析了碳纤维增强复合材料（CFRP）缠绕钢（Steel）圆管在横向准静态载荷下的弯曲破坏行为。选取五种缠绕层数或顺序不同的Steel/CFRP混合管分析其受弯失效历程、失效模式以及吸能特性。结果表明:各混合管受横向载荷的失效历程基本与纯钢管保持一致,失效模式由钢管的稳定塌陷模式所主导,但纤维缠绕方式不同,失效形貌略有差异。在混合管的吸能特性方面,随着缠绕层数的增加,混合管的比吸能逐渐增大;±45°纤维的缠绕顺序分布对于其吸能特性影响较显著。相比增加缠绕层数而言,合理的缠绕顺序设计可以实现更好的吸能特性提升,其中Steel/CFRP[±45°/90°/90°]2的混合管比吸能最好,比纯钢管提高了41.37%。在此基础上,采用与试验一致性较好的有限元模型分析了混合管复合材料各层受载作用下的Von-Mises应力分布,证明了不同缠绕角度对于应力承担量的不同作用,为改进纤维缠绕方式提供了依据。
关键词：Steel/CFRP混合管;三点弯曲;缠绕层数;缠绕顺序;吸能特性;Von-Mises应力;
