復合材料圓管力學性能分析范文

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文摘：

復合材料管件在使用時需與接頭粘接，粘接的強度常常決定了整個管件的承載能力。本文首先用有限元方法分析了記憶合金箍環對復合材料圓管接頭承拉能力的影響，再通過兩組軸拉靜力試驗測試了記憶合金箍環對復合材料圓管拉伸強度的影響程度。試驗結果表明記憶合金箍環能提高復合材料圓管接頭拉伸強度10．1%，能較好地提高連接性能，這與有限元分析結果相符，分析及試驗結果對復合材料管件設計改進有指導作用。

關鍵詞：

復合材料圓管，力學性能，記憶合金，有限元

0.引言

復合材料管件可以作為桁架結構的部分，已經廣泛應用于現代航天器輕型結構之中，能夠滿足輕質、高穩定性、易于安裝和拆卸等要求［1－4］。復合材料管件的連接強度受制于連接接頭處的設計，如何提高膠接接頭的性能，最大限度的發揮復合材料高比強度和高比模量特點成為工程實踐中需要解決的重要問題。鞠蘇等［4］分析了摩擦因數對復合材料管件接頭強度的影響;趙伶豐等［5］對復合材料膠接接頭的內部應力進行了有限元分析;林松等［6］測試了大載荷纏繞桿件的力學性能;杜剛等［7］研究了復合材料圓管端部加強后的軸壓性能。但目前利用記憶合金環提高復合材料管件力學性能的研究尚不多見。記憶合金環具有單向收縮的功能，在達到一定的溫度時，記憶合金材料收縮，可以為復合材料管件接頭處提供預應力，且這種收縮是單向的，在溫度下降后記憶合金環仍然保持收縮后的形狀，具有較高的使用價值。本文以T700碳纖維管件連接金屬接頭為例，分析了使用記憶合金箍環的方法對復合材料圓管接頭力學性能的影響，通過軸拉試驗驗證了記憶合金箍環對復合材料圓管承拉強度性能提高程度，取得了有效提高復合材料管件抗拉性能的效果。分析及試驗結果對復合材料管件設計改進有指導作用。

1.有限元分析

1．1材料及建模管件材料

為T700/3234復合材料，其性能如表1所示，管件外徑Ф50mm，管壁厚度3mm，碳纖維共計鋪制預浸料24層，單層厚度0．125mm，鋪層方向以沿管件軸向為主，適當設置環向及斜向層。接頭材料為7A09鋁合金。采用MSC．Marc軟件對此模型進行分析，將模型等效為軸對稱問題進行分析，其中碳纖維管使用152#單元，接頭與膠采用10#單元。分析中將膠層簡化為彈塑性模型，其屈服應力通過純剪切試驗獲得為30MPa，整個模型單元數規模約為1萬。本文研究接頭在承受150kN軸向載荷下的粘接強度，根據理論分析，拉伸載荷對結構的粘接強度考核較為嚴酷，將載荷換算成均布軸拉載荷施加在右側鋁合金接頭右側端面上，在碳纖維管左端施加軸向位移約束。記憶合金環通過施加過盈接觸來模擬其初始時刻對結構的緊箍作用。

1．2計算及分析

拉伸載荷下有無記憶合金環模型的整體von－Mises應力與位移如圖2、圖3所示，從計算結果來看，拉伸載荷下記憶合金環對模型整體的位移與應力分布影響較小。提取兩種模型下沿膠層長度方向的剝離與剪切應力進行比較(圖4)，發現記憶合金環對膠層的剪切應力影響不大，但使得膠層端部的剝離應力降低了40%。

2.試驗結果及分析

按照上節所述參數制備2組對比試樣，分別為:無記憶合金環管件拉伸試件、帶記憶合金環管件拉伸試件，每組試樣5件，試樣端頭處如圖5所示。 參照GB/T5349—2005對試件進行了軸向拉伸試驗，并且按照標準計算試樣的強度，具體如圖6所示，管件在調試后逐級加載至破壞。試驗過程中，試驗載荷位移曲線顯示良好的線性，破壞時載荷突變，無明顯屈服過程，管件試驗結果見表2。 試驗中典型的破壞模式為，端頭界面處拉脫，碳纖維拉伸試驗典型破壞模式如圖7所示。

3.結論

通過T700/3234碳纖維復合材料管件試樣軸拉試驗驗證了有限元計算的有效性。從試驗結果可以看出，復合材料管件接頭試樣加記憶合金環可承受最大拉伸載荷為114．05kN，加記憶合金環試樣可承受的最大拉伸載荷較無記憶合金環試樣提高10．1%。

參考文獻

［1］趙渠森．先進復合材料手冊［M］．北京:機械工業出版社，2003．

［2］鞠蘇，肖加余，江大志，等．復合材料管接頭與鋼管間摩擦力及其對管接頭強度的影響—數值分析［J］．復合材料學報，2007，24(3):168－172．

［3］趙伶豐，白光明．復合材料膠接接頭分析研究［J］．航天器環境工程，2007(12):24－6．

［4］林松，王俊鋒，張建寶，等．大載荷纏繞桿件的拉伸和壓縮性能［J］．宇航材料工藝，2012，42(3):86－96．

［5］杜剛，曾竟成，肖加余，等．復合材料圓管端部加強對其軸壓性能影響的實驗分析［J］．材料科學與工程學報，2007，25(3):457－459．

作者：陳中強 顧鋮璋 顧遠之 單位：上海宇航系統工程研究所