復合材料管簡介

復合材料管，管壁用兩種材料制作的管材。通常用于建筑物內(nèi)部。管壁有兩層或三層;一層受力,通常是鋼或鋁層;另一層或兩層保護金屬層,通常是塑料層。用作水管時,內(nèi)壁塑料層應無毒。

大量的實驗研究證明用復合材料結(jié)構(gòu)作為能量吸收元件要比一些常用的金屬材料結(jié)構(gòu)具有較高的能量吸收能力，并且壓潰載荷分布均勻。復合材料管狀結(jié)構(gòu)作為能量吸收元件已經(jīng)在航天、航空、各類運輸系統(tǒng)、建筑和運動器材等其它防護裝置方面得到越來越廣泛的應用。復合材料結(jié)構(gòu)的能量吸收機理和能力既不同于傳統(tǒng)的剛度、強度等機械性能，也不同于復合材料結(jié)構(gòu)在載荷作用后的損傷表征和剩余強度。因此，不論是研究的目標還是研究的手段，都有其獨特之處。許多研究結(jié)果表明復合材料結(jié)構(gòu)的能量吸收機理與壓潰(塌陷)形態(tài)不同于金屬結(jié)構(gòu)。纖維的斷裂及其擴展方向、基體的開裂以及纖維與基體界面的連接強度是影響復合材料結(jié)構(gòu)能量吸收機理和壓潰(塌陷)形態(tài)的因素。研究主要綜述了有關(guān)復合材料管狀結(jié)構(gòu)在軸向壓縮載荷和橫向彎曲載荷作用下的壓潰(塌陷)破壞模式和能量吸收機理，纖維材料和基體材料的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)成型工藝、結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、纖維的增強方向和鋪層次序以及實驗環(huán)境對結(jié)構(gòu)的能量吸收能力、破壞模式和能量吸收機理的影響，以及某些有關(guān)復合材料管狀結(jié)構(gòu)能量吸收能力的理論預測方法。

管狀結(jié)構(gòu)破壞模式和能量吸收機理

（1）軸向載荷下壓潰破壞模式通過大量的實驗觀察得出：

a)熱脆性復合材料管狀結(jié)構(gòu)在軸壓載荷作用下首先形成初始的層間裂紋并逐步分成兩部份。隨著壓潰變形的逐步發(fā)展，沿管子內(nèi)、外向分層彎曲變形的擴展將導致復合材料沿管子的周向撕裂成較多的花瓣形狀的纖維束(條)最終產(chǎn)生蘑菇形狀的破壞。這種破壞模式具有連續(xù)穩(wěn)定的壓潰變形過程和較高的能量吸收能力如圖4(a,b,c)所示。

b)某些熱脆性復合材料管狀結(jié)構(gòu)在軸向載荷作用下，管內(nèi)的縱向裂紋將沿著管子的周向迅速擴展而方錐形管子四角處的縱向裂紋也將沿管子的周向迅速擴展從而發(fā)生突然的脆性斷裂破壞，如圖4(d,e)。所示此種壓潰模式是一種非穩(wěn)定的破壞模式并使其能量吸收能力大大降低。

c)通過對非常薄的復合材料圓管和半角小于15°的方形錐管進行軸向壓潰破壞試驗，發(fā)現(xiàn)該類型復合材料管子在軸向壓潰過程中產(chǎn)生變形鉸并繞著該鉸產(chǎn)生折疊如圖4(f)。

復合材料增強金屬內(nèi)襯管子在軸向載荷作用下的壓潰破壞模式主要為：

a)當復合材料增強金屬管子的界面連接強度足夠大時，軸向壓潰模式取決于金屬內(nèi)襯的軸向壓潰模式如圖5a所示。

b)當復合材料增強金屬管子的界面連接強度較弱時，纖維增強層將與金屬內(nèi)襯脫層分離導致該結(jié)構(gòu)壓潰破壞如圖5c所示。

c)當金屬內(nèi)襯材料的延性較差時，將呈現(xiàn)花瓣狀壓潰破壞模式或突然脆性斷裂如圖5b和圖5d所示。

（2）彎曲載荷作用下塌陷破壞模式

對于復合材料的防護攔和運輸載體防撞裙邊結(jié)構(gòu)而言主要考慮在橫向彎曲載荷作用下該結(jié)構(gòu)的能量吸收能力和破壞模式。研究復合材料管狀結(jié)構(gòu)在端部固支約束條件下的彎曲能量吸收能力和相應的破壞模式。研究方形和矩形復合材料管子的彎曲塌陷破壞模式如圖6所示。管子的頂部表層是壓縮變形層，管子的底部表層是拉伸變形層，管子的兩個側(cè)面既有壓縮變形又有拉伸變形。管子三個不同變形特征區(qū)域的破壞模式具有很大的差異，另外在管子四個直角部位的應力集中效應也會對復合材料管子的彎曲塌陷模式有很大影響。在靠近管子固支端部的頂層表面壓縮區(qū)域發(fā)生局部屈曲并在該區(qū)域的縱向?qū)ΨQ軸附近出現(xiàn)許多垂直于管子縱向?qū)ΨQ軸的橫向微裂紋。

（3）復合材料管結(jié)構(gòu)能量吸收機理

隨著復合材料管狀結(jié)構(gòu)的壓潰(塌陷)變形發(fā)生和持續(xù)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)的初始微裂紋開始不斷擴展，并導致結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出的最終宏觀破壞模式：層合結(jié)構(gòu)的分層，橫向剪切破壞帶以及縱向和橫向裂紋帶并伴隨著結(jié)構(gòu)的能量耗散(吸收)。導致復合材料層合圓管壓潰破壞的機理主要有三種形式：1)分層彎曲，2)橫向剪切，3)局部屈曲，如圖6。所示分層彎曲破壞機理的特征表現(xiàn)為層合結(jié)構(gòu)在平行于復合材料管狀結(jié)構(gòu)縱向出現(xiàn)多層分層或裂紋，其分層長度和裂紋長度遠大于該復合材料結(jié)構(gòu)層的厚度。伴隨著結(jié)構(gòu)壓潰變形過程，分層折疊彎曲擴展的新的分層表面與軸向載荷平板表面發(fā)生的相對摩擦力是該結(jié)構(gòu)在此種壓潰破壞模式下能量耗散的一種因素。橫向剪切破壞機理的主要特征為：沿垂直于層合結(jié)構(gòu)橫截面的方向呈現(xiàn)多處短的并穿透結(jié)構(gòu)層厚度的楔形縱向裂紋和部分纖維層之間較短的縱向裂紋。橫向剪切破壞形態(tài)的能量吸收機理是源自穿透結(jié)構(gòu)層的楔形縱向裂紋沿縱向擴展以及分離的纖維束(板條)子層沿管子的周向發(fā)生彎曲斷裂時的能量耗散。對于延性較好的纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)而言局部屈曲纖維層的壓縮邊呈現(xiàn)較大的塑性變形而在拉伸邊則將纖維層撕裂產(chǎn)生局部分層。

方形和矩形截面復合材料管狀結(jié)構(gòu)在彎曲載荷作用下結(jié)構(gòu)的彎曲、分層屈曲和剪切破壞形態(tài)如圖7所示。彎曲破壞的表現(xiàn)為復合材料管狀結(jié)構(gòu)上下表面的纖維層與基體破裂。分層破壞主要發(fā)生在層合結(jié)構(gòu)的中層面附近。剪切破壞形態(tài)為纖維層和基體發(fā)生貫穿結(jié)構(gòu)橫截面斷裂。管子頂部層壓縮區(qū)域的破壞形態(tài)為：a)基體材料的剪切變形斷裂；b)分層裂紋并沿結(jié)構(gòu)的縱向軸擴展；c)垂直于管子縱向?qū)ΨQ軸的橫向裂紋。管子底部層拉伸區(qū)域的破壞形態(tài)為：a)纖維從基體內(nèi)拔出；b)纖維與基體之間的連接界面發(fā)生分離；c)縱向纖維層斷裂與分層。管子四角奌的應力集中引起角奌附近區(qū)域開裂并影響管子頂部層壓縮區(qū)域的屈曲特性。

管狀結(jié)構(gòu)組份材料對結(jié)構(gòu)能量吸收的影響

研究結(jié)果指出碳纖維增強的熱脆性成型圓管的能量吸收能力要遠大于玻璃纖維和有機纖維(Kevlar)增強的熱脆性成型圓管的能量吸收能力。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)二維三軸編織復合材料具有高的平面剪切剛度和強度，高的損傷容限和良好的抗扭曲變形的能力。適當?shù)腒evlar纖維和玻璃纖維或碳纖維混雜在三軸編織復合材料圓管結(jié)構(gòu)中，可以提高該混雜纖維增強復合材料圓管結(jié)構(gòu)能量吸收能力。通過對復合材料增強金屬圓管能量吸收能力和軸向壓潰長度的理論預測分析和計算，發(fā)現(xiàn)金屬內(nèi)襯材料的機械性質(zhì)也將影響復合材料增強金屬圓管的軸向壓潰破壞模式。

管狀結(jié)構(gòu)實驗環(huán)境對能量吸收能力的影響

研究加載速率對于復合材料結(jié)構(gòu)在壓潰變形過程中形成的層間分層表面之間磨擦機理的影響。并且指出，在動態(tài)載荷作用下薄壁的玻璃纖維/聚脂復合材料圓管、方管和錐型管的能量吸收能力低于其相應結(jié)構(gòu)在靜態(tài)載荷作用下的能量吸收能力。研究環(huán)境溫度、濕度和界面強度對玻璃纖維布/環(huán)氧復合材料管子壓潰破壞模式及其能量吸收能力的影響，試驗結(jié)果表明隨著結(jié)構(gòu)的溫度升高復合材料圓管的能量吸收能力將降低。另外復合材料管狀結(jié)構(gòu)的能量吸收能力還將隨著材料的水份增加而降低。

管狀結(jié)構(gòu)理論預測方法

以實驗觀察為基礎(chǔ)，建立相應的理論預測模型通過合理的計算方法和優(yōu)化設計使得該類結(jié)構(gòu)具有最大的能量吸收能力，一直是該領(lǐng)域的研究工作者非常關(guān)注的焦點?；谝粋€在彈性基體上的柱屈曲方程，給出復合材料圓管結(jié)構(gòu)壓潰(蹋陷)力的理論預測公式。以分層內(nèi)、外折疊彎曲壓潰破壞模式為依據(jù)給出了理論預測復合材料圓管在壓潰過程中結(jié)構(gòu)吸收能量的解析表達式。利用有限元計算方法來預測復合材料圓管的壓潰載荷。利用DYNA3D應用程序軟件包計算各種幾何參數(shù)的復合材料管狀結(jié)構(gòu)的軸向壓潰載荷，并且指出利用有限元程序來預測復合材料管狀結(jié)構(gòu)的壓潰模式的難點和應注意的地方。

通過對近年來有關(guān)復合材料管狀結(jié)構(gòu)能量吸收機理和壓潰(蹋陷)破壞模式能量吸收能力的主要研究回顧，可以看出復合材料結(jié)構(gòu)的能量吸收機理和壓潰(蹋陷)破壞模式遠比金屬結(jié)構(gòu)件復雜、并有許多問題有待進一步的深入研究。如：

a)纖維材料的紡織結(jié)構(gòu)和不同類型纖維材料的混雜效應以及界面的連接強度對結(jié)構(gòu)破壞模式和能量吸收能力的影響。

b)纖維增強金屬管狀結(jié)構(gòu)的能量吸收機理和壓潰(蹋陷)破壞模式和理論預測方法的進一步深入的研究。

c)各種實驗環(huán)境對復合材料管狀結(jié)構(gòu)件壓潰(蹋陷)破壞模式和能量吸收能力的影響。

d)組份材料的微觀破壞機理與復合材料管狀結(jié)構(gòu)的能量吸收能力之間的關(guān)系。

海洋油氣管線是油氣開發(fā)系統(tǒng)中重要構(gòu)件。深海作業(yè)中，傳統(tǒng)鋼管線由于自身重量大，在深海復雜內(nèi)外載荷作用下經(jīng)常發(fā)生振動和屈曲，造成管線損傷破壞。復合材料管具有高比強度、重量輕等優(yōu)點, 在海洋石油工業(yè)未來應用中具有很強競爭力。國內(nèi)外復合材料管線動力學分析和設計理論尚處于探索階段。 本項目基于復合材料高階剪切變形理論，研究深海復合材料管線(包括立管和海管)的后屈曲和非線性振動特性。首先，基于高階剪切變形理論和Kármán型大撓度應力應變關(guān)系，建立復合材料管線后屈曲和非線性振動的宏-細觀力學模型；然后，使用解析法和數(shù)值解法相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究了邊界層效應、橫向剪切效應、環(huán)境熱效應和殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對纖維增強和編織復合材料結(jié)構(gòu)非線性屈曲行為的影響，取得了新的認識和結(jié)果。分析環(huán)境載荷、材料和幾何參數(shù)等因素對管線后屈曲行為和非線性振動特性的影響；最后，在結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析基礎(chǔ)上，選擇合理的幾何、材料及設計參數(shù)，并進行實驗驗證力學模型的正確性和可靠性，同時，給出柔性梁柱結(jié)構(gòu)的屈曲和后屈曲大撓度精確解，為復合材料管線穩(wěn)定性設計以及動力響應控制提供基礎(chǔ)理論支撐。

本項目基于復合材料高階剪切變形理論，研究深海復合材料管線(包括立管和海管)的后屈曲和非線性振動特性。首先，基于高階剪切變形理論和Kármán型大撓度應力應變關(guān)系，建立復合材料管線后屈曲和非線性振動的宏-細觀力學模型；然后，使用解析法和數(shù)值解法相結(jié)合的方法，研究復合材料管線的后屈曲和非線性振動特性，分析環(huán)境載荷、材料和幾何參數(shù)等因素對管線后屈曲行為和非線性振動特性的影響；最后，在結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析基礎(chǔ)上，選擇合理的幾何、材料及設計參數(shù)，并進行實驗驗證，為復合材料管線穩(wěn)定性設計以及動力響應控制提供基礎(chǔ)理論支撐。