管狀復合材料力學性能的研究進展

駱詩華 楊彩云

(天津工業大學紡織學院，天津，300387)

近年來，隨著科學技術的飛速發展，管狀復合材料在產業用材料領域日益顯示出巨大的應用潛力。管狀復合材料因其優良的綜合性能，如質量輕、耐疲勞性能優異、比強度和比剛度高、耐腐蝕性能好等，受到工程界的普遍關注，被廣泛應用于消防、管道修復、給水排水、醫療、航天航空等領域［1］。

為了更加有效地設計和使用管狀復合材料，深入研究其真實的細觀結構和預測其力學性能是非常重要的。目前對管狀復合材料力學性能的研究方法主要有試驗研究、力學模型研究和數值仿真研究三種。本文將介紹近年來國內外學者在管狀復合材料力學性能研究方面的主要工作和成果，并展望未來的研究方向。

1 管狀復合材料力學性能的試驗研究

管狀復合材料主要應用于管道修復和航空航天等領域，其機械性能主要表現在結構響應、損傷模式、破壞特性及吸能等方面。目前，國內外對管狀復合材料力學性能的試驗研究主要集中在拉伸、壓縮、扭轉等方面，以揭示材料結構的損傷模式、破壞形式和吸能能力等。

Hufenbach等［2］采用卷繞或編織的方法加工管狀復合材料，并對其進行拉伸、壓縮和扭轉試驗，研究表明由于幾何形狀和結構的復雜性，管狀復合材料的破壞模式表現為拉伸性斷裂和壓縮失穩破壞等。Yan等［3］采用手糊成型工藝制造纖維增強環氧樹脂復合管，并對其進行準靜態壓縮，分析其粉碎特性、能量吸收能力和漸進式破碎，結果表明該復合管在壓扁過程中的能量吸收比現有管的能量大。Lai等［4］通過壓縮、扭轉和彎曲試驗對復合圓柱管和復合軟管的力學性能進行了對比，分析了它們的優缺點，研究表明圓形復合材料管的強度質量比較高，而其剛度質量比則較低。

劉佳［5］進行了圓管機織復合材料的拉伸、壓縮和扭轉試驗，并分析了其細觀結構和損傷破壞過程。研究表明，圓管機織復合材料拉伸、壓縮試件在接近破壞時，彎曲的經紗會在拉伸載荷作用下由彎變直，或伸直的經紗會在壓縮載荷作用下由直變彎，從而導致材料的部分基體與紗線分離而脫落;扭轉試件隨著扭轉角的不斷增大，環向緯紗會因基體與紗線的相互作用而在圓管徑向產生不同程度的位移，所以扭轉角的增大會在管的徑向形成褶皺。但由于圓管機織復合材料試件不具有自由邊界，所以其具有更好的整體性能和承載能力。

易洪雷等［6］采用管芯加塞彎曲試驗方法對纖維增強復合材料圓管進行了彎曲試驗，并對其彎曲性能進行了評價，同時建立了復合材料圓管的彎曲強度模型。杜剛等［7］對端部加纏碳纖維的復合材料圓管進行了壓縮試驗，研究表明在軸向壓縮載荷作用下，端部加強能減小圓管的徑向變形，有利于提高管狀復合材料的壓縮性能。閆光等［8］對復合材料圓柱殼的軸向壓縮性能進行了試驗研究，結果表明其結構的破壞模式為屈曲破壞。張淑潔等［9］探索了管狀紡織復合材料的制備和應用問題，分析了其應用性能，并對管狀紡織復合材料進行了物理性能等測試，結果表明所研制的管狀紡織復合材料符合國內外的標準要求。

雖然國內外學者在管狀復合材料的力學性能測試、損傷擴展及破壞形式等試驗研究方面做了很多工作，但是測試方法的水平較低，尚未標準化，而且借鑒樹脂基復合材料的試驗方法來研究管狀復合材料的力學性能具有一定的局限性。另外，對管狀復合材料彎曲性能的研究較缺乏，這方面的相關報道較少。

2 管狀復合材料的力學模型研究

由于管狀復合材料的微觀結構比較復雜，因此單憑試驗全面研究其力學性能，而且管狀復合材料力學性能的理論預測工作對研究其力學性能尤為重要。為了能夠更全面系統地研究管狀復合材料的力學性能，國內外學者在試驗研究的基礎上開展力學模型研究，取得了一些成果。

Ayranci等［10］概述了二維晶胞的曲率半徑對管狀編織復合材料彈性行為的影響，對管狀編織復合材料的彈性常數進行了敏感性研究，提出了將曲率半徑設定為接近無窮大的單胞力學模型，研究表明該模型適用范圍廣，且與試驗結果有很好的一致性。Alpyildiz［11］對不同結構管狀編織物的幾何模型進行了研究，將編織紗的卷曲曲率考慮到所建立的三維模型中，該三維模型能夠準確地反映管狀復合材料結構參數對其力學性能的影響。Hwan等［12］采取擴展的彈簧模型來預測三維四步編織管狀復合材料的有效彈性模量，還研究了單胞表面編織角和纖維體積分數對管狀復合材料有效彈性模量的影響。

陳利等［13］采用定義代表性控制域法研究了管狀三維編織的空間紗線交織結構，分析紗線運動規律，得到管狀結構的單胞模型。馬文鎖等［14］采用可變微單元幾何模型對管狀三維編織復合材料的細觀結構進行了參數化描述，為確定編織紗線在單元中的位置及體積百分數與微單元局部力學性能的關系，提供了一種切實可行的分析模型。李典森等［15］通過研究三維五向管狀編織的紗線交織結構，建立了內部單胞和表面單胞模型，并基于該模型采用改進的剛度平均化法對管狀復合材料的彈性性能進行預測。王瑞等［16］基于對管狀復合材料特殊力學性能的要求及自身結構特點，通過試驗建立了管狀復合材料的拉伸斷裂強力/寬度與破裂壓強間關系的數學模型，通過驗證該數學模型精度較高。焦志文等［17］采用多尺度耦合模型研究了圓管狀立體機織復合材料的力學性能，建立了反映纖維束中纖維和基體的微觀尺度，以及反映周期性編織結構細觀尺度的扇形單胞，通過逐級計算微觀單胞、細觀單胞的平均彈性常數，得到了管狀復合材料的剛度參數，試驗表明該模型預測的剛度精度較高。劉佳等［18］將管狀三維機織復合材料的纖維束截面假設為橢圓形，提出一種管狀結構的單元體劃分方式，建立了力學模型預測其工程彈性常數;并采用分層研究的方法，討論了彈性模量及纖維體積含量與圓管半徑的關系。孫志宏等［19］基于可設計幾何參數和單元胞體的組織結構，采用跑道型纖維束截面假設，建立了適當的單元胞體力學模型來預測圓織三維管狀復合材料的纖維體積分數和彈性常數。

目前的研究分析所提出的單胞模型的簡化和假設過多，上述模型大都借鑒其他理論模型來分析管狀復合材料的結構，忽略了單胞內紗線浸漬基體后截面形狀的改變和紗線的屈曲程度等因素。今后的研究工作在選取單胞或建立模型時應當盡可能減少簡化和假設，建立能夠真實反映管狀復合材料細觀結構的模型。

3 管狀復合材料力學性能的數值仿真

數值仿真研究方法主要是指有限元法。隨著對管狀復合材料力學性能研究的不斷深入，人們逐漸將有限元分析手段運用于管狀復合材料的力學性能研究中，并取得了一定的成果。

Zhang等［20］采用 ABAQUS/顯式材料的漸進失效模型對管狀編織復合材料的準靜態軸向擠壓過程進行模擬，該模擬計算出的故障模式、載荷位移曲線和特異性能量吸收性能的結果與試驗吻合;此外，模擬還提供了有關管變形和破壞機制發生的信息。Mamalis等［21］運用LS-DYNA3D軟件對碳纖維增強管狀復合材料承受動靜態軸向壓潰載荷的三種典型失效模式進行了有限元模擬，并給出了漸進壓潰、局部屈曲及崩潰斷裂三種失效模式的模擬結果。Gelebart［22］采用有代表性的單胞在周期性邊界條件下對管狀復合材料進行模擬，忽略管的半徑，評估管的同質性行為，在考慮非線性行為的情況下分析了管半徑局部的應力和應變。Han等［23］對編織纖維層的單向玻璃纖維復合材料管進行了詳細的數值研究，討論了模擬過程中的單元選擇、材料模型、邊界條件和接觸算法。Das等［24］采用有限元模擬技術對管狀復合材料結構黏結接頭進行研究，選擇應變能釋放用作評估分層損傷增長的特征參數，研究表明剝離應力比剪切應力三維效果更為敏感，在耦合長度加緊邊緣側位置容易出現分層破壞。

徐永紅等［25］基于所建立的管狀機織物三維模型，采用有限元分析法對管狀機織物外套于管子時的抽拔過程進行了數值模擬，為管織物抽拔自鎖和破壞預估計提供了有效的預報方法。張淑潔等［26］對管狀復合材料在翻襯時的應力應變進行了試驗和理論分析，并采用有限元法對此過程進行模擬，研究表明管狀復合材料在翻轉時，翻轉頭端有應力集中的現象，該處最容易發生破裂。張雪麗等［27］采用有限元分析軟件對含有損傷的三維編織復合材料圓柱殼進行了分析，重點研究編織角、損傷程度等因素對三維編織復合材料圓柱殼體結構穩定性的影響。張淑潔等［28］采用有限元法對管狀紡織復合材料在內壓作用下其翻襯時的應力與應變情況進行了分析，并分析修復管道管徑的范圍;還采用定負荷拉伸試驗對有限元分析的結果進行驗證，結果表明試驗值與有限元模擬值基本吻合。李儉等［29］建立了細觀剛度場與纏繞管狀復合材料整體結構的映射關系，并將該模型引入纏繞管狀復合材料結構有限元分析中，研究表明在纏繞管狀復合材料有限元分析中，采用基于傅里葉級數的細觀剛度模型可以反映材料內部細觀結構對應力應變分布的影響。孫穎等［30］采用剛度平均化法基于單胞模型確定復合材料的本構特性，利用Patean/Marc對炭/環氧三維多向編織復合材料圓管相貫型接頭的承載性能進行有限元應力分析，討論細觀結構形式和編織角對接頭結構受力變形行為的影響，研究表明編織角三維六向編織管狀復合材料結構的特性更接近各向同性。崔海濤等［31］采用有限元法對纏繞復合材料彎管的應力進行了分析，并采取最大應力作為判斷結構失效的準則，結果表明應該將材料的非線性特性考慮到纏繞管狀復合材料力學性能分析中。王新峰等［32］采用有限元分析法建立了三維機織管狀復合材料的細觀單胞模型，并基于該模型對管狀復合材料在軸向拉伸情況下損傷的整個過程進行模擬和分析。

有限元分析法是一種現代計算方法，是研究管狀復合材料力學性能非常有效的分析手段。但是有限元模擬結果的準確性與所建立模型的正確性息息相關，而且模型也要盡可能反映材料真實的微觀結構。此外，對已建立模型所施加的邊界條件也是一個非常重要的因素。采用有限元法預測管狀復合材料的力學性能，不僅可以預先發現材料結構的潛在問題，還可以優化設計管狀復合材料，使其力學性能得到更好的改善。此外，該研究方法還促進了管狀復合材料力學性能預測工作的發展。

4 結語

人們對管狀復合材料的力學性能研究仍以試驗研究為主，主要研究管狀復合材料的拉伸、壓縮和扭轉等性能，還沒有深入研究材料的蠕變及彎曲等力學問題;而且目前的試驗研究主要是針對管狀復合材料在靜態或準靜態下的力學性能，較少涉及有關材料在動態負載下的力學性能，同時也忽略了試驗條件對測試結果的影響。因此在今后的研究中，應該提出新的試驗方法，并將試驗方法標準化。另外，由于管狀復合材料具有復雜的微觀結構及多樣性的材料參數，所以預測其力學性能的力學模型也具有多樣性。但現有的模型基本上都忽略了材料結構內紗線的屈曲狀態、紗線的真實走向，以及纖維和基體二相間的影響等因素。以后的研究工作在建立力學模型時應當盡可能真實反映管狀復合材料的細觀結構。此外，有限元法預測管狀復合材料的力學性能是目前較有效的分析手段，但要獲得準確的預測結果，需要深入研究材料的屬性，建立合適的本構模型及選定合適的邊界條件，而且在建立有限元模型時不要過于簡單化和做太多的假設。目前的有限元分析法主要采用線性材料的本構方程研究管狀復合材料的力學性能，較少涉及到管狀復合材料復雜的非線性力學行為，且沒有統一的失效準則。因此，在今后的管狀復合材料力學性能的研究中，要獲得更真實的模擬結果還需更深入地進行細致、系統的研究工作。

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