格构增强泡沫夹芯复合材料管侧向压缩_陈航.pdf

第 卷第期 材料科学与工程学报 总第 期 文章编号：（）格构增强泡沫夹芯复合材料管侧向压缩陈航，方海，李晓龙，樊子砚（南京工业大学 土木学院，江苏 南京 ）【摘要】以聚氨酯泡沫为夹芯层、玻璃纤维增强树脂复合材料（）为面层和格构腹板，运用真空导入工艺制备了个参数不同的复合材料圆管，对其进行了侧向压缩试验，分析格构数量等参数对结构承载性能的影响。基于能量法，运用等效十字模型将格构腹板和泡沫芯材等效为均质材料，得到其面内等效弹性模量。运用层合理论推导了复合材料管在侧向压缩下的荷载和位移关系，并与试验值进行了对比，研究表明：随着格构腹板数量增加，构件的极限承载力逐渐增大；对比试验结果与理论分析，格构腹板增强构件较无格构腹板构件误差较小；层合理论适用于界面协同能力较好、面层与芯材不易剥离的结构。【关键词】格构增强；复合材料；能量法；层合理论；侧压试验中图分类号：文献标志码：，（，）【】，（），【】；收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金面上资助项目（，）；江苏省杰出青年基金资助项目（）作者简介：陈航（），男，硕士，研究方向：复合材料结构。：。通信作者：方海（），男，教授、博士生导师，从事复合材料结构、桥梁抗撞与防护方向的研究。：。前言复合材料夹芯结构常以蜂窝、泡沫和轻木等轻质材料作为芯材，增大截面惯性矩并获得较高的抗弯强度和刚度，具有轻质高强、吸能效果好、耐腐蚀、可设计性优异等特点，在风力发电、公路桥梁、航空航天等领域有着广泛应用，如图（）所示。但传统的复合材料泡沫夹芯结构在工程应用中存在面层与芯材间界面易剥离破坏，抗剪、抗压强度低等问题。因此，刘伟庆等发明了格构腹板增强复合材料泡沫夹芯结构，这种结构创新性地利用真空导入工艺将复合材料面层、格构腹板与泡沫夹芯形成有机的整体，极大地提高了面层与芯材抗剥离能力和协同工作能力 ，如图（）所示。在此基础上，南京工业大学先进工程复合材料研究中心设计和制造了格构增强复合材料泡沫夹芯圆管结构，由外管壁、内管壁和双壁之间设置的格构增强体和聚氨酯泡沫组成，如图（）所示。该类结构凭借其优越的耗能性能广泛运用于桥梁防撞设施领域 ，传统的桥梁防撞结构造价高昂、撞损后难以修复，相比之下此自浮式防撞装置系统具有整体性强、抗冲击、耐腐蚀、成本低、适应水位变化等优点，并且具有良好的吸能性能，目前已运用到十余座大型桥梁防撞系统中。图不同复合材料泡沫夹芯结构形式（）无腹板复合材料泡沫夹芯结构；（）格构增强复合材料泡沫夹芯结构；（）格构增强复合材料泡沫夹芯圆管结构 （）；（）；（）复合材料夹芯结构运用于实际工程中多以梁、板的形式存在。传统的弹性分析理论均建立在均质连续材料假设的基础上，不适用于非连续性芯材的情况。针对此类平板结构，许多国内外学者提出将芯材等效的方 法，以 得 到 弹 性 理 论 解。和 等基于能量变分原理，采用高阶剪切变形理论，对复合材料夹层梁的弯曲力学性能进行理论分析，得到芯材模量对夹层梁面板及芯材应力的影响规律。和 研究发现，通过增加腹板数量可以有效地减小夹层结构的弯曲挠度和剪切变形。姚宇超等 对复合材料层合板在湿热环境下的强度性能展开研究，建立了湿热条件下复合材料开孔层合板极限强度的预测模型。等 对用于建筑楼面板修复的，以纤维增强复合材料为面层和纵向腹板的复合材料夹芯板的多目标优化进行了研究，表明在夹芯板外边缘设置纵向腹板，可使其满足结构要求。年，朱秀杰等 提出了一种通过格栅与波纹芯子结合的波纹格栅夹芯结构，基于三阶剪切变形精确板理论，推导了夹芯板屈曲临界载荷的计算方法，通过与有限元模拟结果进行对比分析，验证了理论的有效性。在复合材料圆管理论与试验研究方面，年，等 研究了圆管受侧向荷载作用下的挠度和应力分布情况，推导出对于内部填充泡沫的 （）层合管，层合理论所求得的挠度与试验值更为接近。年，杨宇宙和钱林方 利用三维有限元分析软件研究获得了复合材料圆筒静载 下 的 损 伤 模 式、破 坏 机 理 与 能 量 变 化 关 系。等 进行了复合材料圆管准静态荷载下的试验研究，指出通过提高内部填充的聚氨酯泡沫的密度，可明显增强圆管在侧压下的承载力性能。年，周辉等 以圆筒状复合材料防撞装置为研究对象，进行了格构增强复合材料圆筒准静态压缩试验，发现圆筒中横向格构间距越小，试件极限荷载和平均压溃力越大，耗能能力越强。年，朱锐杰等 通过案例计算对剪切变形和杆件变截面这两因素对临界承载力的影响程度进行理论分析，确定了变截面杆整体稳定承载力解析公式。年，赵志波等 通过试验和有限元模拟对 层合管端部进行研究，发现采用碳纤维金属内衬的端部增强方式可提高层合管的轴压承载能力。解江等 研究了不同铺层顺序复合材料薄壁圆管在准静态压缩下的吸能机理特性，结果表明 与 交替铺层对圆管的能量吸收性能影响较大。目前国内外学者对复合材料夹芯结构理论研究偏向于参数变化对性能影响，并且研究对象多为格构增强夹芯板和梁，对格构增强复合材料泡沫夹芯管状结构在侧向荷载作用下的极限承载力与位移关系研究相对较少，本研究将格构增强泡沫夹芯复合材料圆管结构简化为由外管壁层、内管壁层、夹芯层组成的层合管，基于能量法，运用等效十字模型将非均质的夹芯层等效为均质材料，求解得到的面内等效弹性模量。对于侧向压缩的复合材料圆管，运用层合理论 推导了复合材料圆管在侧向压缩下的承载力与位移关系，并与试验研究结果进行了对比验证。材料科学与工程学报 年月理论分析 夹芯层等效弹性模量首先运用能量法 对矩形填充多孔材料夹芯层进行研究，图中实线表示横向和竖向蜂窝胞壁，阴影部分表示多孔材料，虚线所包围的矩形为提出的等效十字模型，即可将整个夹芯层等效为若干个十字模型。等效十字模型矩形区域称为基本单元体。等效十字模型中胞壁材料的弹性模量为，填充多孔材料的弹性模量为，胞壁厚度为，基本单元体的长度和宽度分别为和，夹芯层的厚度为。图等效十字模型示意图 当矩形填充多孔材料夹芯层受到方向单向应力时，取基本单元体截面分析模型的受力，如图所示，由力平衡方程可以得到式（）：（）（）式中：、分别为基本单元体填充多孔材料、胞壁材料产生与方向相反的内力；为夹芯层受到方向单向应力；为基本单元体中一块填充多孔材料部分宽度；为 基 本 单元体胞 壁厚度；为夹 芯 层的厚度。图基本单元体方向单向受力图 在方向的变形协调条件为 ，因 ，代 入 变 形 协 调 条 件 可 以 得 到 为：（）式中：为等效十字模型中胞壁材料的弹性模量；为填充多孔材料的弹性模量。将式（）代入力平衡方程（）中，可以得到下式：（）（）（）（）等效体的变形能?为：?（）（）（）式中：为基本单元体的弹性模量；为基本单元体体积；为基本单元体中一块填充多孔材料部分长度。基本单元体的实际变形能由两个水平承载的胞壁和四块填充多孔材料的变形能组成。水平胞壁变形能为：（）（）（）填充多孔材料变形能见下式：（）（）（）总变形能为：（）（）由可得夹芯层方向的等效弹性模量 见式（）：（）（）（）（）层合理论格构增强泡沫夹芯复合材料圆管可简化为层合管，基于层合理论 对其侧向压缩进行理论分析。层合管侧向压缩受力如图所示，截面如图所示。层合管受到侧压荷载，取其部分进行力学分析（图）。在处，和分别是层合管第层的轴力和剪力，和分别是和引起的弯矩。当和时，由于和引起的径向位移分别可以表示为下各式：（）（）（）（）第 卷第期陈航，等 格构增强泡沫夹芯复合材料管侧向压缩图层合管受侧压荷载 图层合管截面 图层合管受力分析 （）（）（）（）式中：为第层管的平均半径；即（）；和分别是复合层合管第层的轴力和剪力；为第层管弹性模量；为第层截面面积；层合管的截面模量为：（）（，）（）设：（）（）（）（）式中：为第层管的半径。和处径向位移可表示为由于轴力和剪力产生的位移之和，为：（）（）将式（）和（）代入式（）、（）、（）和（），再代入（）和（）中，由于 和处第层的径向位移与第 层的径向位移相等，可以得到下式：（，）（）（，）（）由力的平衡：和（）将等式（）、（）和（）联立方程组，求出未知数和：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）材料科学与工程学报 年月将和代入式（）、（）、（）、（），即可求得和时分别由和引起的径向位移、和，再代入式（）、（）即可求得层合管径向位移和。实验为对比验证理论分析的准确性，采用真空导入工艺制作了个格构增强泡沫夹芯复合材料管试件，试件长 ，横截面内、外径分别为 和 ，内、外管壁层、纵向格构腹板和横向格构腹板壁厚度均为 。试件构造如图所示，试件尺寸参数见表。本次试验参考标准 纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法（），加载采用微机控制电子万能试验机，试验加载方向为侧向表格构增强复合材料管试件尺寸参数 ：；图格构增强复合材料圆管示意图 加载，加 载 板 长 度 与 试 件 等 高，设 置 两 个 量 程 为 的型位移计辅助采集加载位移，位移参数和应变值通过东华静态应变仪 采集系统采集，试件内、外面层中部每间隔 布置一组纵向、环向应变片，每个试件共 个应变片。试验加载装置及应变片布置如图所示。试验所得荷载位移曲线见图。图格构增强泡沫夹芯复合材料管侧向压缩性能试验布置（）加载示意图；（）应变片布置示意图 （）；（）图试件侧向压缩荷载位移曲线 对比验证 等效弹性模量 试件夹芯层为均质的聚氨酯泡沫，无需将弹性模量进行等效，弹性模量取之后进行的材性试验所得结果。对于 试件可取其基本单元体，保持基本单元体厚度不变，通过截面等面积原则，即，将扇形截面六面体等效为正六面体，可以方便地运用现有的夹芯板理论来进行理论分析，如图 所示。根据复合材料圆管在侧向压缩下主要的变形方向为方向，方向的变形相对很小，故取方第 卷第期陈航，等 格构增强泡沫夹芯复合材料管侧向压缩向的面内等效弹性模量 作为夹芯层的弹性模量，根据式（）代入单元体具体参数可求得。图 试件截面基本单元体等效图 极限位移理论值 试 件 、和 都可简化为包括外管壁层、内管壁层、夹芯层的层合管。三层材料除夹芯层的等效弹性模量不同外，其余参数相同。格构增强复合材料管试件各层具体弹性模量结果见表。将表中各项参数先代入式（）、（）、（）求出截面模量、系数和；将结果代入式（）、（）中，获得层合管第层的轴力和剪力；代入式（）中，得到处径向位移，即求得格构表格构增强复合材料管试件弹性模量 增强复合材料圆管在侧向压缩下的理论位移值。将各试件侧向压缩位移的理论值和试验值进行对比，如图 所示。格构增强复合材料圆管弹性极限荷载所对应的理论位移值、试验位移值及两者间误差率见表。由图 和表可见：随着格构腹板数量的增加，试件的极限承载力逐渐增大，极限位移逐渐减少。对于 及 两组试件采用理论公式分析所得其弹性极限荷载下的位移值与试验值误差控制在 以内，说明本研究所采用的层合理论在一定条件下可作为分析格构增强泡沫夹芯复合材料圆管结构承载力与位移之间关系的理论方法。对于无格构腹板试件 ，其极限承载力较低，并且理论位移值与试验值相差较大，误差率超过，其主要原因是 内无格构腹板，导致其夹芯板与面层间协图 格构增强复合材料管试件侧向压缩试验位移与理论位移对比曲线 表试件侧向压缩弹性极限荷载试验位移与理论位移对比 同能力较差，易发生界面剥离，较为明显地降低了试件的极限承载力。因此，该理论在一定条件下适合芯材与面层不易剥离的构件。结论通过将能量法推导填充多孔材料夹芯层等效弹性模量与层合理论计算侧向压缩层合圆管径向位移相结合的方法分析格构增强复合材料泡沫夹芯圆管结构承载力与位移间关系，并对格构增强复合材料管构件进行侧向压缩试验，分析格构数量等参数对结构承载性能的影响，并将试验结果与理论分析进行对比，得出以下结论：随格构腹板数量增多，能够有效提高芯材的截面刚度，构件的极限承载力显著提高。构件 、与无格构腹板构件材料科学与工程学报 年月 相 比，极 限 承 载 力 分 别 提 高 了 、和 。格构腹板可提升夹芯层与面层间的界面黏结强度，抑制界面剥离，使层合结构接近于理想状态。对于腹板增强构件 、与 ，理论分析所得位移值与试验值吻合良好，极限位移误