复合材料管

复合材料管，管壁用两种材料制作的管材。通常用于建筑物内部。管壁有两层或三层;一层受力,通常是钢或铝层;另一层或两层保护金属层,通常是塑料层。用作水管时,内壁塑料层应无毒。

大量的实验研究证明用复合材料结构作为能量吸收元件要比一些常用的金属材料结构具有较高的能量吸收能力，并且压溃载荷分布均匀。复合材料管状结构作为能量吸收元件已经在航天、航空、各类运输系统、建筑和运动器材等其它防护装置方面得到越来越广泛的应用。复合材料结构的能量吸收机理和能力既不同于传统的刚度、强度等机械性能，也不同于复合材料结构在载荷作用后的损伤表征和剩余强度。因此，不论是研究的目标还是研究的手段，都有其独特之处。许多研究结果表明复合材料结构的能量吸收机理与压溃(塌陷)形态不同于金属结构。纤维的断裂及其扩展方向、基体的开裂以及纤维与基体界面的连接强度是影响复合材料结构能量吸收机理和压溃(塌陷)形态的因素。研究主要综述了有关复合材料管状结构在轴向压缩载荷和横向弯曲载荷作用下的压溃(塌陷)破坏模式和能量吸收机理，纤维材料和基体材料的性质、结构成型工艺、结构的几何参数、纤维的增强方向和铺层次序以及实验环境对结构的能量吸收能力、破坏模式和能量吸收机理的影响，以及某些有关复合材料管状结构能量吸收能力的理论预测方法。

管状结构破坏模式和能量吸收机理

（1）轴向载荷下压溃破坏模式通过大量的实验观察得出：

a)热脆性复合材料管状结构在轴压载荷作用下首先形成初始的层间裂纹并逐步分成两部份。随着压溃变形的逐步发展，沿管子内、外向分层弯曲变形的扩展将导致复合材料沿管子的周向撕裂成较多的花瓣形状的纤维束(条)最终产生蘑菇形状的破坏。这种破坏模式具有连续稳定的压溃变形过程和较高的能量吸收能力如图4(a,b,c)所示。

b)某些热脆性复合材料管状结构在轴向载荷作用下，管内的纵向裂纹将沿着管子的周向迅速扩展而方锥形管子四角处的纵向裂纹也将沿管子的周向迅速扩展从而发生突然的脆性断裂破坏，如图4(d,e)。所示此种压溃模式是一种非稳定的破坏模式并使其能量吸收能力大大降低。

c)通过对非常薄的复合材料圆管和半角小于15°的方形锥管进行轴向压溃破坏试验，发现该类型复合材料管子在轴向压溃过程中产生变形铰并绕着该铰产生折叠如图4(f)。

复合材料增强金属内衬管子在轴向载荷作用下的压溃破坏模式主要为：

a)当复合材料增强金属管子的界面连接强度足够大时，轴向压溃模式取决于金属内衬的轴向压溃模式如图5a所示。

b)当复合材料增强金属管子的界面连接强度较弱时，纤维增强层将与金属内衬脱层分离导致该结构压溃破坏如图5c所示。

c)当金属内衬材料的延性较差时，将呈现花瓣状压溃破坏模式或突然脆性断裂如图5b和图5d所示。

（2）弯曲载荷作用下塌陷破坏模式

对于复合材料的防护拦和运输载体防撞裙边结构而言主要考虑在横向弯曲载荷作用下该结构的能量吸收能力和破坏模式。研究复合材料管状结构在端部固支约束条件下的弯曲能量吸收能力和相应的破坏模式。研究方形和矩形复合材料管子的弯曲塌陷破坏模式如图6所示。管子的顶部表层是压缩变形层，管子的底部表层是拉伸变形层，管子的两个侧面既有压缩变形又有拉伸变形。管子三个不同变形特征区域的破坏模式具有很大的差异，另外在管子四个直角部位的应力集中效应也会对复合材料管子的弯曲塌陷模式有很大影响。在靠近管子固支端部的顶层表面压缩区域发生局部屈曲并在该区域的纵向对称轴附近出现许多垂直于管子纵向对称轴的横向微裂纹。

（3）复合材料管结构能量吸收机理

随着复合材料管状结构的压溃(塌陷)变形发生和持续，其结构内的初始微裂纹开始不断扩展，并导致结构呈现出的最终宏观破坏模式：层合结构的分层，横向剪切破坏带以及纵向和横向裂纹带并伴随着结构的能量耗散(吸收)。导致复合材料层合圆管压溃破坏的机理主要有三种形式：1)分层弯曲，2)横向剪切，3)局部屈曲，如图6。所示分层弯曲破坏机理的特征表现为层合结构在平行于复合材料管状结构纵向出现多层分层或裂纹，其分层长度和裂纹长度远大于该复合材料结构层的厚度。伴随着结构压溃变形过程，分层折叠弯曲扩展的新的分层表面与轴向载荷平板表面发生的相对摩擦力是该结构在此种压溃破坏模式下能量耗散的一种因素。横向剪切破坏机理的主要特征为：沿垂直于层合结构横截面的方向呈现多处短的并穿透结构层厚度的楔形纵向裂纹和部分纤维层之间较短的纵向裂纹。横向剪切破坏形态的能量吸收机理是源自穿透结构层的楔形纵向裂纹沿纵向扩展以及分离的纤维束(板条)子层沿管子的周向发生弯曲断裂时的能量耗散。对于延性较好的纤维增强复合材料结构而言局部屈曲纤维层的压缩边呈现较大的塑性变形而在拉伸边则将纤维层撕裂产生局部分层。

方形和矩形截面复合材料管状结构在弯曲载荷作用下结构的弯曲、分层屈曲和剪切破坏形态如图7所示。弯曲破坏的表现为复合材料管状结构上下表面的纤维层与基体破裂。分层破坏主要发生在层合结构的中层面附近。剪切破坏形态为纤维层和基体发生贯穿结构横截面断裂。管子顶部层压缩区域的破坏形态为：a)基体材料的剪切变形断裂；b)分层裂纹并沿结构的纵向轴扩展；c)垂直于管子纵向对称轴的横向裂纹。管子底部层拉伸区域的破坏形态为：a)纤维从基体内拔出；b)纤维与基体之间的连接界面发生分离；c)纵向纤维层断裂与分层。管子四角奌的应力集中引起角奌附近区域开裂并影响管子顶部层压缩区域的屈曲特性。

管状结构组份材料对结构能量吸收的影响

研究结果指出碳纤维增强的热脆性成型圆管的能量吸收能力要远大于玻璃纤维和有机纤维(Kevlar)增强的热脆性成型圆管的能量吸收能力。实验结果发现二维三轴编织复合材料具有高的平面剪切刚度和强度，高的损伤容限和良好的抗扭曲变形的能力。适当的Kevlar纤维和玻璃纤维或碳纤维混杂在三轴编织复合材料圆管结构中，可以提高该混杂纤维增强复合材料圆管结构能量吸收能力。通过对复合材料增强金属圆管能量吸收能力和轴向压溃长度的理论预测分析和计算，发现金属内衬材料的机械性质也将影响复合材料增强金属圆管的轴向压溃破坏模式。

管状结构实验环境对能量吸收能力的影响

研究加载速率对于复合材料结构在压溃变形过程中形成的层间分层表面之间磨擦机理的影响。并且指出，在动态载荷作用下薄壁的玻璃纤维/聚脂复合材料圆管、方管和锥型管的能量吸收能力低于其相应结构在静态载荷作用下的能量吸收能力。研究环境温度、湿度和界面强度对玻璃纤维布/环氧复合材料管子压溃破坏模式及其能量吸收能力的影响，试验结果表明随着结构的温度升高复合材料圆管的能量吸收能力将降低。另外复合材料管状结构的能量吸收能力还将随着材料的水份增加而降低。

管状结构理论预测方法

以实验观察为基础，建立相应的理论预测模型通过合理的计算方法和优化设计使得该类结构具有最大的能量吸收能力，一直是该领域的研究工作者非常关注的焦点。基于一个在弹性基体上的柱屈曲方程，给出复合材料圆管结构压溃(蹋陷)力的理论预测公式。以分层内、外折叠弯曲压溃破坏模式为依据给出了理论预测复合材料圆管在压溃过程中结构吸收能量的解析表达式。利用有限元计算方法来预测复合材料圆管的压溃载荷。利用DYNA3D应用程序软件包计算各种几何参数的复合材料管状结构的轴向压溃载荷，并且指出利用有限元程序来预测复合材料管状结构的压溃模式的难点和应注意的地方。

通过对近年来有关复合材料管状结构能量吸收机理和压溃(蹋陷)破坏模式能量吸收能力的主要研究回顾，可以看出复合材料结构的能量吸收机理和压溃(蹋陷)破坏模式远比金属结构件复杂、并有许多问题有待进一步的深入研究。如：

a)纤维材料的纺织结构和不同类型纤维材料的混杂效应以及界面的连接强度对结构破坏模式和能量吸收能力的影响。

b)纤维增强金属管状结构的能量吸收机理和压溃(蹋陷)破坏模式和理论预测方法的进一步深入的研究。

c)各种实验环境对复合材料管状结构件压溃(蹋陷)破坏模式和能量吸收能力的影响。

d)组份材料的微观破坏机理与复合材料管状结构的能量吸收能力之间的关系。

海洋油气管线是油气开发系统中重要构件。深海作业中，传统钢管线由于自身重量大，在深海复杂内外载荷作用下经常发生振动和屈曲，造成管线损伤破坏。复合材料管具有高比强度、重量轻等优点, 在海洋石油工业未来应用中具有很强竞争力。国内外复合材料管线动力学分析和设计理论尚处于探索阶段。 本项目基于复合材料高阶剪切变形理论，研究深海复合材料管线(包括立管和海管)的后屈曲和非线性振动特性。首先，基于高阶剪切变形理论和Kármán型大挠度应力应变关系，建立复合材料管线后屈曲和非线性振动的宏-细观力学模型；然后，使用解析法和数值解法相结合的方法，系统地研究了边界层效应、横向剪切效应、环境热效应和壳体结构参数等因素对纤维增强和编织复合材料结构非线性屈曲行为的影响，取得了新的认识和结果。分析环境载荷、材料和几何参数等因素对管线后屈曲行为和非线性振动特性的影响；最后，在结构参数优化分析基础上，选择合理的几何、材料及设计参数，并进行实验验证力学模型的正确性和可靠性，同时，给出柔性梁柱结构的屈曲和后屈曲大挠度精确解，为复合材料管线稳定性设计以及动力响应控制提供基础理论支撑。

本项目基于复合材料高阶剪切变形理论，研究深海复合材料管线(包括立管和海管)的后屈曲和非线性振动特性。首先，基于高阶剪切变形理论和Kármán型大挠度应力应变关系，建立复合材料管线后屈曲和非线性振动的宏-细观力学模型；然后，使用解析法和数值解法相结合的方法，研究复合材料管线的后屈曲和非线性振动特性，分析环境载荷、材料和几何参数等因素对管线后屈曲行为和非线性振动特性的影响；最后，在结构参数优化分析基础上，选择合理的几何、材料及设计参数，并进行实验验证，为复合材料管线稳定性设计以及动力响应控制提供基础理论支撑。