第42卷第8期
2009年8月土 木 工 程 学 报
CHINACIVILENGINEERINGJOURNALVol.42No.8 Aug.2009 纤维缠绕CFRP圆管力学性能的试验 及数值模拟研究
张亮泉1,2 李 惠 欧进萍11,3
(1.哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨 150090;2.东北林业大学, 黑龙江哈尔滨 150040;3.大连理工大学,辽宁大连 116024)
摘要:采用纤维缠绕成型工艺,设计了两种尺寸的CFRP圆管,铺层方式均为[(900/00)2]S,通过对CFRP圆管进行
压缩和拉伸实验,着重研究了CFRP圆管在这两种受力状态下直至破坏的应力2应变关系,极限强度以及材料宏观
破坏模式。实验结果表明,铺层方式为[(900/00)2]S的CFRP圆管抗拉极限强度和应变远大于其抗压极限强度和
应变,但这两种状态下CFRP圆管的弹性模量大致相当,且破坏模式均为脆性破坏。此外,采用有限元分析软件
ABAQUS对CFRP圆管在压缩和拉伸状态下直至破坏的应力2应变关系进行了数值模拟,并与试验结果进行比较, 验证了实验结果的可靠性。
关键词:碳纤维增强复合材料;极限强度;破坏模式;数值模拟 中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:10002131X(2009)0820050207
Experimentalandnumericales ofent LiHui OuJinping
(1.InstituteofTechnology,Harbin150090,China;
2.NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China;
3.DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)11,3
Abstract:Thispaperpresentstheresultsofanexperimentalandnumericalinvestigationintothebehaviourofcarbon2fiber2reinforcedepoxytubessubjectedtomonotonicuniaxialloading.Thesetubesarewoundbycarbonfiberswitha
00filamentwindingpatternof[(90/0)2]S.Twotubesofdifferentsizesaretestedtoinvestigatethebasicpropertiesunder
uniaxialcompressionandtensionloadings.Theresultingstress/straincurvesareanalyzed,andthedamageandfailuremodesobserved.Itisshownthattheultimatestressandstrainundertensionaremuchlargerthanthatundercompression,however,theelasticmoduliunderthesetwostatesaresimilariftheCFRPtubesarewoundwithafilament
00windingpatternof[(90/0)2]S.Inaddition,thefailureoftheseCFRPtubesisbrittleunderbothcompressionand
tension.Thestress2straincurvesoftheseCFRPtubesundertensionandcompressionaresimulatedbyusingABAQUSandcomparedwithcorrespondingexperimentalresults.
Keywords:carbonfiberreinforcedplastic;ultimateintensity;destroymode;numericalsimulation
E2mail:zhangliangquan@hit.edu.cn 引 言
近年来,随着我国经济的高速发展,特别是2008
年北京奥运会的举办,越来越多的大跨度建筑如雨后
春笋般在各地出现。这些大跨度建筑多是以钢材为
基金项目:国家杰出青年基金项目资助(50525823)、国家自然科学基金 重点项目资助(50538020)
作者简介:张亮泉,博士研究生,讲师
收稿日期:2008204223主要建筑材料,再配以轻质材料作为维护结构。然而,随着结构跨度的增加,为了满足结构设计强度和安全性要求,结构构件截面尺寸大大增加,必将造成结构自重、用钢量和造价的成倍增长。如国家体育场—“鸟巢”就因为跨度大,受力状态复杂,造成构件截面过大,其“瘦身”后的用钢量仍达到4.2万吨。因此,研究用于大跨度空间结构的可替代钢材的轻质高强新型材料,以及由该材料建造的构件乃至整体结构的静、动力基本性能无疑具有重要的理论意义和工程应用价值。
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第42卷 第8期张亮泉等?纤维缠绕CFRP圆管力学性能的试验及数值模拟研究? 51?
碳纤维复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、阻尼性能好及线膨胀系数小的优点,因此是替代钢材的理想建筑材料。目前在日本,已有学者提出采用CFRP替代钢材建造空间网架结构,研究结果表明,CFRP网架具有重量轻(仅为钢网架的1/5～1/4),施工强度小,周期短,耐腐蚀性好,可避免凝露,维护费
[1]
用低,线胀系数小和温度效应小等一系列优点。但针对大跨度、超大跨度CFRP空间结构性能的全面系统研究尚属空白。在我国,CFRP材料被广泛应用于多高层建筑和桥梁结构的加固,以及制造大跨度桥梁结构的拉索,但由CFRP型材建造的纯CFRP结构鲜有研究。本文正是基于这样的研究背景,提出采用CFRP管替代钢管建造大跨度空间结构的构想,并首先从结构构件入手,对两种不同直径纤维缠绕CFRP圆管抗压和抗拉力学基本特性进行了系统的试验研究,同时采用ABAQUS对CFRP圆管力学性能进行仿真分析,为下一步研究大跨度CFRP空间结构奠定基础。
1 CFRP圆管的铺层和试件尺寸1.1 圆管的铺层 东丽公司)和环氧树脂,其性能见表1和表2,纤维按
纵向和环向铺设,纵向纤维主要提供抗拉和抗压能力,环向纤维作为环向补强,并抵抗偶然横向剪力,铺
00
层方式为[(90/0)2]S,共8层。1.2 试件尺寸
采用缠绕成型方法加工了试验试件,单个试件长500mm,管的名义厚度1.6mm。受压管的两端加强区为100mm,试验段长300mm,管的内直径为150mm,共3个试件。受拉管两端加强区为150mm,试验段长200mm,管的内直径为50mm,共3个试件。管的端部
均进行了机械加工,使端部尽量水平,减少偏心。实验试件的编号及几何参数见表3。图1给出了实验试件缠绕成型及第一阶段固化过程。固化分为两个阶段,第一阶段为缠绕完成,刮胶后,缠绕机继续转动,用白炽灯均匀辐射热量固化;第二阶段为将没有脱模的试件从缠绕机上取下,放入120℃高温固化炉中完 [2]
成最终固化。固化后脱模,形成实验试件,如图2所示。 11ofT700SC212K
carbonfiber比重(g/cm3) 3.4
～3.6
抗拉强度(MPa) ≥3500
拉伸模量(GPa)
230
212K碳纤维(日本
表2 环氧树脂在常温下的典型特性
Table2Typicalpropertiesofepoxyresinatroomtemperature 弹性模量(GPa) 3.3
剪切模量(GPa) 1.2 泊松比 0.37
抗拉强度(MPa) 65
抗压强度(MPa)
135
表3 试验试件编号及几何参数
Table3Numbersandgeometricparametersofthespecimens 试件编号 CP21,2,3CT21,2,3 内径(mm) 15050 壁厚(mm) 1.61.6
试验段长度(mm) 300200 铺层方式
[(900/00)2]S[(900/00)2]S 纵向纤维含量(%) 27.527.5
环向纤维含量(%) 27.527.5 树脂含量(%)
4545
图1 试验试件缠绕成型
Fig.1 Specimenwoundbycarbonfiber 图2 试验试件
Fig.2 Testspecimens
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纤维缠绕CFRP圆管力学性能的试验及数值模拟研究.
