轴心受压cfrp管稳定性研究

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1、硕士学位论文轴心受压CFRP管稳定性研究STABILITYANALYSISOFCFRPTUBESUNDERAXIALCOMPRESSION孙浩田哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TU599学校代码：10213国际图书分类号：624.04密级：公开工程硕士学位论文轴心受压CFRP管稳定性研究硕士研究生：孙浩田导师：武岳教授申请学位：工程硕士学科：结构工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU599U.D.C:624.04DissertationfortheMasterDegre

2、einEngineeringSTABILITYANALYSISOFCFRPTUBESUNDERAXIALCOMPRESSIONCandidate：HaotianSunSupervisor：Prof.YueWuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：StructuralEngineeringAffiliation：SchoolofCivilEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstit

3、uteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要如何在保证强度与刚度满足需求的前提下减轻飞行器重量是科研人员一直关注的问题。相比于传统金属材料，采用轻质高强的碳纤维增强复合材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，简称CFRP），不仅可以满足结构的刚度及强度需求，又可以大幅度地减轻结构重量。然而不同于传统金属材料，CFRP材料力学性能的研究仍有待完善，特别是缠绕型CFRP管的结构稳定理论几乎处于空白。为此，本文进行了缠绕型CFRP管轴压试验，从细观角度出发，通过有限元分析并结合细观力学理论，得到了纤维缠绕型复合材料细长

4、管的稳定公式。与试验结果对比，该公式对于缠绕型CFRP管的轴压稳定性设计具有普遍的指导意义。论文主要工作如下：1.对三种不同缠绕角度和长细比下的CFRP圆管进行了轴压试验，着重观察了树脂基碳纤维增强复合材料的刚度、极限强度、以及宏观、细观破坏模式，为细观损伤模型的建立提供指导。2.本文详尽且细致的剖析了国内外复合材料的研究现状，对缠绕型复合材料的制作方法，组分结构，力学模型和试验研究理论进行展开，同时详尽介绍了当前复合材料非线性力学性能的不同损伤模型，给出了针对缠绕型CFRP管力学性能研究的基本流程：为了体现复合材料拉压双模量等特征，从细观层面进行分析，结

5、合ChamisC.C模型，得到单根纤维束的刚度及强度特性，将细观力学性能分析结果引入到宏观层面进行ANSYS有限元本构用户子程序（UMAT）开发，进而对构件进行有限元建模，通过引入UMAT子程序，得到CFRP管的线弹性受力性能。3.当纤维缠绕角度在一定范围内且CFRP管长细比较小时，纤维和基体的损伤起始时刻对应的构件外荷载要小于构件所能承受的极限荷载，此类构件受压时随着荷载的增大会产生非弹性屈曲。因此进行了复合材料累积损伤破坏过程的模拟。基于Hashin初始损伤准则，建立了细观损伤模型，分别考虑了纤维和基体不同的细观破坏模式：纤维拉伸断裂；纤维压缩屈曲；基

6、体拉伸剪切；基体压缩剪切。采用损伤力学理论，对损伤规律进行了规划。通过将细长管和短管模拟结果和试验数据进行比较分析，得到了适用性较强的损伤系数阀值和纤维束各方向断裂能，从而实现了缠绕型CFRP管在不同长细比下的累积损伤分析，并得到了所对应的极限荷载值。4.由于缠绕型CFRP管的工艺参数较多，而每种参数又对构件的力学性能有较大的影响。为了得到较为可靠的CFRP细长管稳定承载力计算公式，比较了各种工艺参数（纤维缠绕角度，纤维体积含量，铺层厚度，构件长细比等）对构件极-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文限承载力的影响，结合层合板理论，提出了可以体现多种工艺参数并

7、具有普遍适用性的缠绕型CFRP细长管稳定计算公式。关键词：轴心受压；CFRP管；有限元；损伤；稳定性-II-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractMakingsurethatthestrengthandstiffnessoftheaerospacestructurescanmeetthebasicrequirementsforfundamentaluseisthemostimportantissuethateveryrelatedresearcherconcerns.TheCarbonFiberReinforcedPolymercansatisfy

8、ourneedtoachievethisgoal.Itcannot