復(fù)合材料管

復(fù)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(hù)金屬層,通常是塑料層。用作水管時(shí),內(nèi)壁塑料層應(yīng)無毒。

大量的實(shí)驗(yàn)研究證明用復(fù)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(fù)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(yùn)輸系統(tǒng)、建筑和運(yùn)動(dòng)器材等其它防護(hù)裝置方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的能量吸收機(jī)理和能力既不同于傳統(tǒng)的剛度、強(qiáng)度等機(jī)械性能，也不同于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在載荷作用后的損傷表征和剩余強(qiáng)度。因此，不論是研究的目標(biāo)還是研究的手段，都有其獨(dú)特之處。許多研究結(jié)果表明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的能量吸收機(jī)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(kuò)展方向、基體的開裂以及纖維與基體界面的連接強(qiáng)度是影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)能量吸收機(jī)理和壓潰(塌陷)形態(tài)的因素。研究主要綜述了有關(guān)復(fù)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(jī)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(qiáng)方向和鋪層次序以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的能量吸收能力、破壞模式和能量吸收機(jī)理的影響，以及某些有關(guān)復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)能量吸收能力的理論預(yù)測方法。

管狀結(jié)構(gòu)破壞模式和能量吸收機(jī)理

（1）軸向載荷下壓潰破壞模式通過大量的實(shí)驗(yàn)觀察得出：

a)熱脆性復(fù)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(kuò)展將導(dǎo)致復(fù)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(fù)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(kuò)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(kuò)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(duì)非常薄的復(fù)合材料圓管和半角小于15°的方形錐管進(jìn)行軸向壓潰破壞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該類型復(fù)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(fù)合材料增強(qiáng)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(dāng)復(fù)合材料增強(qiáng)金屬管子的界面連接強(qiáng)度足夠大時(shí)，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(dāng)復(fù)合材料增強(qiáng)金屬管子的界面連接強(qiáng)度較弱時(shí)，纖維增強(qiáng)層將與金屬內(nèi)襯脫層分離導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)壓潰破壞如圖5c所示。

c)當(dāng)金屬內(nèi)襯材料的延性較差時(shí)，將呈現(xiàn)花瓣?duì)顗簼⑵茐哪Ｊ交蛲蝗淮嘈詳嗔讶鐖D5b和圖5d所示。

（2）彎曲載荷作用下塌陷破壞模式

對(duì)于復(fù)合材料的防護(hù)攔和運(yùn)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(fù)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(yīng)的破壞模式。研究方形和矩形復(fù)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(gè)側(cè)面既有壓縮變形又有拉伸變形。管子三個(gè)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(gè)直角部位的應(yīng)力集中效應(yīng)也會(huì)對(duì)復(fù)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(fù)合材料管結(jié)構(gòu)能量吸收機(jī)理

隨著復(fù)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(kuò)展，并導(dǎo)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(dǎo)致復(fù)合材料層合圓管壓潰破壞的機(jī)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(jī)理的特征表現(xiàn)為層合結(jié)構(gòu)在平行于復(fù)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(yuǎn)大于該復(fù)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(kuò)展的新的分層表面與軸向載荷平板表面發(fā)生的相對(duì)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(jī)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(jī)理是源自穿透結(jié)構(gòu)層的楔形縱向裂紋沿縱向擴(kuò)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(shí)的能量耗散。對(duì)于延性較好的纖維增強(qiáng)復(fù)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(fù)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(fù)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(kuò)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(yīng)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(duì)結(jié)構(gòu)能量吸收的影響

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

管狀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)能量吸收能力的影響

研究加載速率對(duì)于復(fù)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(jī)理的影響。并且指出，在動(dòng)態(tài)載荷作用下薄壁的玻璃纖維/聚脂復(fù)合材料圓管、方管和錐型管的能量吸收能力低于其相應(yīng)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(qiáng)度對(duì)玻璃纖維布/環(huán)氧復(fù)合材料管子壓潰破壞模式及其能量吸收能力的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著結(jié)構(gòu)的溫度升高復(fù)合材料圓管的能量吸收能力將降低。另外復(fù)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(yù)測方法

以實(shí)驗(yàn)觀察為基礎(chǔ)，建立相應(yīng)的理論預(yù)測模型通過合理的計(jì)算方法和優(yōu)化設(shè)計(jì)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(diǎn)?；谝粋€(gè)在彈性基體上的柱屈曲方程，給出復(fù)合材料圓管結(jié)構(gòu)壓潰(蹋陷)力的理論預(yù)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(yù)測復(fù)合材料圓管在壓潰過程中結(jié)構(gòu)吸收能量的解析表達(dá)式。利用有限元計(jì)算方法來預(yù)測復(fù)合材料圓管的壓潰載荷。利用DYNA3D應(yīng)用程序軟件包計(jì)算各種幾何參數(shù)的復(fù)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(yù)測復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)的壓潰模式的難點(diǎn)和應(yīng)注意的地方。

通過對(duì)近年來有關(guān)復(fù)合材料管狀結(jié)構(gòu)能量吸收機(jī)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)的能量吸收機(jī)理和壓潰(蹋陷)破壞模式遠(yuǎn)比金屬結(jié)構(gòu)件復(fù)雜、并有許多問題有待進(jìn)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(yīng)以及界面的連接強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)破壞模式和能量吸收能力的影響。

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

c)各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)復(fù)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(jī)理與復(fù)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(fù)雜內(nèi)外載荷作用下經(jīng)常發(fā)生振動(dòng)和屈曲，造成管線損傷破壞。復(fù)合材料管具有高比強(qiáng)度、重量輕等優(yōu)點(diǎn), 在海洋石油工業(yè)未來應(yīng)用中具有很強(qiáng)競爭力。國內(nèi)外復(fù)合材料管線動(dòng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)理論尚處于探索階段。 本項(xiàng)目基于復(fù)合材料高階剪切變形理論，研究深海復(fù)合材料管線(包括立管和海管)的后屈曲和非線性振動(dòng)特性。首先，基于高階剪切變形理論和Kármán型大撓度應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，建立復(fù)合材料管線后屈曲和非線性振動(dòng)的宏-細(xì)觀力學(xué)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(yīng)、橫向剪切效應(yīng)、環(huán)境熱效應(yīng)和殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對(duì)纖維增強(qiáng)和編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)非線性屈曲行為的影響，取得了新的認(rèn)識(shí)和結(jié)果。分析環(huán)境載荷、材料和幾何參數(shù)等因素對(duì)管線后屈曲行為和非線性振動(dòng)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(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證力學(xué)模型的正確性和可靠性，同時(shí)，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(fù)合材料管線穩(wěn)定性設(shè)計(jì)以及動(dòng)力響應(yīng)控制提供基礎(chǔ)理論支撐。

本項(xiàng)目基于復(fù)合材料高階剪切變形理論，研究深海復(fù)合材料管線(包括立管和海管)的后屈曲和非線性振動(dòng)特性。首先，基于高階剪切變形理論和Kármán型大撓度應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，建立復(fù)合材料管線后屈曲和非線性振動(dòng)的宏-細(xì)觀力學(xué)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(fù)合材料管線的后屈曲和非線性振動(dòng)特性，分析環(huán)境載荷、材料和幾何參數(shù)等因素對(duì)管線后屈曲行為和非線性振動(dòng)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(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為復(fù)合材料管線穩(wěn)定性設(shè)計(jì)以及動(dòng)力響應(yīng)控制提供基礎(chǔ)理論支撐。