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復(fù)合材料圓管力學(xué)性能分析范文

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復(fù)合材料圓管力學(xué)性能分析

文摘:

復(fù)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(huán)對復(fù)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(huán)對復(fù)合材料圓管拉伸強度的影響程度。試驗結(jié)果表明記憶合金箍環(huán)能提高復(fù)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(jié)果相符,分析及試驗結(jié)果對復(fù)合材料管件設(shè)計改進有指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞:

復(fù)合材料圓管,力學(xué)性能,記憶合金,有限元

0.引言

復(fù)合材料管件可以作為桁架結(jié)構(gòu)的部分,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航天器輕型結(jié)構(gòu)之中,能夠滿足輕質(zhì)、高穩(wěn)定性、易于安裝和拆卸等要求[1-4]。復(fù)合材料管件的連接強度受制于連接接頭處的設(shè)計,如何提高膠接接頭的性能,最大限度的發(fā)揮復(fù)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(shù)對復(fù)合材料管件接頭強度的影響;趙伶豐等[5]對復(fù)合材料膠接接頭的內(nèi)部應(yīng)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(xué)性能;杜剛等[7]研究了復(fù)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(huán)提高復(fù)合材料管件力學(xué)性能的研究尚不多見。記憶合金環(huán)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(fù)合材料管件接頭處提供預(yù)應(yīng)力,且這種收縮是單向的,在溫度下降后記憶合金環(huán)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(huán)的方法對復(fù)合材料圓管接頭力學(xué)性能的影響,通過軸拉試驗驗證了記憶合金箍環(huán)對復(fù)合材料圓管承拉強度性能提高程度,取得了有效提高復(fù)合材料管件抗拉性能的效果。分析及試驗結(jié)果對復(fù)合材料管件設(shè)計改進有指導(dǎo)作用。

1.有限元分析

1.1材料及建模管件材料

為T700/3234復(fù)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(yù)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(shè)置環(huán)向及斜向?qū)印=宇^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(yīng)力通過純剪切試驗獲得為30MPa,整個模型單元數(shù)規(guī)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(jù)理論分析,拉伸載荷對結(jié)構(gòu)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(cè)鋁合金接頭右側(cè)端面上,在碳纖維管左端施加軸向位移約束。記憶合金環(huán)通過施加過盈接觸來模擬其初始時刻對結(jié)構(gòu)的緊箍作用。

1.2計算及分析

拉伸載荷下有無記憶合金環(huán)模型的整體von-Mises應(yīng)力與位移如圖2、圖3所示,從計算結(jié)果來看,拉伸載荷下記憶合金環(huán)對模型整體的位移與應(yīng)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(yīng)力進行比較(圖4),發(fā)現(xiàn)記憶合金環(huán)對膠層的剪切應(yīng)力影響不大,但使得膠層端部的剝離應(yīng)力降低了40%。

2.試驗結(jié)果及分析

按照上節(jié)所述參數(shù)制備2組對比試樣,分別為:無記憶合金環(huán)管件拉伸試件、帶記憶合金環(huán)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(diào)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(jié)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(jié)論

通過T700/3234碳纖維復(fù)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(jié)果可以看出,復(fù)合材料管件接頭試樣加記憶合金環(huán)可承受最大拉伸載荷為114.05kN,加記憶合金環(huán)試樣可承受的最大拉伸載荷較無記憶合金環(huán)試樣提高10.1%。

參考文獻

[1]趙渠森.先進復(fù)合材料手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[2]鞠蘇,肖加余,江大志,等.復(fù)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(shù)值分析[J].復(fù)合材料學(xué)報,2007,24(3):168-172.

[3]趙伶豐,白光明.復(fù)合材料膠接接頭分析研究[J].航天器環(huán)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(fù)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(xué)與工程學(xué)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(tǒng)工程研究所

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