纤维缠绕CFRP圆管力学性能的试验及数值模拟研究

1、第42卷第8期2009年8月土木工程学报CHINACIVILENGINEERINGJOURNALVol.42No.8Aug.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)2S,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

2、/00)2S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)0820050207ExperimentalandnumericalesofentLiHuiOuJinping(1.InstituteofTechnology,Harbin

3、150090,China;2.NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China;3.DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)11,3Abstract:Thispaperpresentstheresultsofanexperimentalandnumericalinvestigationintothebehaviourofcarbon2fiber2reinforcedepoxytubessubjectedtomonotonicuniaxialloading.Thesetubesarewoundby

4、carbonfiberswitha00filamentwindingpatternof(90/0)2S.Twotubesofdifferentsizesaretestedtoinvestigatethebasicpropertiesunderuniaxialcompressionandtensionloadings.Theresultingstress/straincurvesareanalyzed,andthedamageandfailuremodesobserved.Itisshownthattheultimatestressandstrainundertensionaremuchlarg

5、erthanthatundercompression,however,theelasticmoduliunderthesetwostatesaresimilariftheCFRPtubesarewoundwithafilament00windingpatternof(90/0)2S.Inaddition,thefailureoftheseCFRPtubesisbrittleunderbothcompressionandtension.Thestress2straincurvesoftheseCFRPtubesundertensionandcompressionaresimulatedbyusi

6、ngABAQUSandcomparedwithcorrespondingexperimentalresults.Keywords:carbonfiberreinforcedplastic;ultimateintensity;destroymode;numericalsimulationE2mail:zhangliangquan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

7、,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。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rig

8、hts reserved. 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1/51/4),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

9、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。1CFRP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)2S,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500m

10、m,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。11ofT700SC212Kcarbonfiber比重(g/cm

11、3)3.43.6抗拉强度(MPa)3500拉伸模量(GPa)230212K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)2S(9

12、00/00)2S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.1Specimenwoundbycarbonfiber图2试验试件Fig.2Testspecimens 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 52土木工程学报2009年2CFRP管的拉伸和压缩试验的加载设备及采集系统试验是在哈尔滨工业大学力学与结构实验中心的美国MTS公司电液伺服试验机上进行的。该试验机最大拉、压载荷为2500kN。受压

13、试件管内布置钢帽与MTS试验机接触,通过钢帽将荷载传递给试件,使试件受压。试件的加强端外套钢环,增加端部约束,保证荷载的正确传递。受拉试件管内也布置钢帽,但是在管的加强端粘接长为150mm的钢外环,粘接材料为环氧树脂、固化剂、铁砂和增进剂的混合物,比例为206301。这样就可以将试件的加强端直接夹持在MTS试验机的上下夹头上,施加荷载3实验中,采用LVDT与MTS试验机同时工作,同步采集数据。另外,在每个试件的中部,按轴向和横向对称布置了8个应变片,轴向应变片的编号分别为A21、A22、A23和A24,横向应变片的编号为C21、C22、C23和C24,采集试件的应变随加载变化情况。本次试验采用

14、位移加载,加载速率为0.005mm/s,数据的采样频率为10Hz。3试验结果及分析3.1CFRP管压缩试验。在实验过程中,加载到破坏荷载的80%前,几乎没有肉眼可见的变化,当达到破坏荷载的80%时,发出劈劈啪啪的响声,这时树脂开始开裂。破坏发生的很突然,能听得剧烈的崩断声,属于脆性破坏,通过观察断面,树脂开裂,发现最外层环向纤维拉断,部分纵向纤维也发生折断。1/3,其破坏形式如图5所示。图5CFRP管压缩破坏Fig.5Failuremodeundercompression图6分别给出了试件CP21、CP22、CP23压缩实验得到的应力-应变关系图,其中,L21是用LVDT测的位移变化量换算后得

15、到的平均轴向应变,绘出应力2应变关系图,A21、A22、A23、A24,C21、C22、C23、C24是分别用轴向和环向应变片测得的应变,绘出应力2应变关系图。从图6(a)图6(c)可以看出,LVDT测试的应变和应变片测试的应变基本相同,可见具有00(90/0)2S铺层方式的CFRP圆管在轴向压力的作用下,轴向发生均匀变形,说明轴向压力主要由基体(环氧树脂)承担。轴向压力的增加到基体极限承载力,发生破坏,应变达到极限压应变。每个试件应力2应变关系基本上呈线性变化,属于脆性破坏。当应力达到125MPa左右时,基体发生破坏,在应力2应变关系图上表现为各应变片所对应的应力2应变曲线发生分离,在基体发

16、生微裂纹方向应变加快,随着基体微 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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53裂纹的增加,基体最终完全开裂,形成环向贯通裂纹。这时,CFRP管达到承载力极限,发生脆性破坏。通过分析可见,这种材料制备的CFRP管具有很好的抗压-3强度,平均强度在240MPa,应变达到5.210。CFRP管的压缩弹性模量为51.8GPa。纹,但肉眼观察不到;当应变达到0.010左右时,在拉断面上树脂大范围开裂,断裂的树脂

17、退出工作,荷载主要由纤维承受;荷载继续增加,试件的变形增加得更快,直至纤维拉断,试件发生爆炸式破坏,破坏发生在加强端与试验段的接合部,多层纤维和树脂完全脱落,纤维大部分拉断,断口有近1cm宽,并且断口的有些部位内外层纤维和树脂完全断裂,出现破坏孔洞。图7CFRP管拉伸破坏Fig.7Failuremodeundertension实验结束后,这说明,有部分通过对应力应变曲线的分析,发现在轴向应力达到400MPa左右时,应变片便失效,这时对应的轴向应变为0.01,环向应变为0.0012。从图8(a)图8(c)可以看出,与压缩试验相比较,拉伸的应力应变曲线有明显的屈服段,这时因为,当树脂破裂,开始逐步

18、退出工作,当树脂形成环向贯通裂纹后,这部分树脂便退出工作,这时拉力主要由纤维承担,CFRP管还能继续承受荷载。但是随着荷载的增加,这时变形快速增加,直至CFRP管完全破坏。由此可知,在应力应变曲线直线段是树脂与纤维共同工作段,曲线段为有部分树脂开裂退出工作,有部分纤维单独承受拉力。但这一阶段仍然存在没有开裂的树脂和纤维共同工作。破坏时,CFRP管的抗拉强度到800MPa以上,应变达到0.032以上,CFRP管的平均拉伸弹性模量为50.05GPa,这说明CFRP管具有很好的抗拉伸性能。图6CFRP管压缩实验应力2应变曲线Fig.6Stress2straincurvesoftheCFRPtubes

19、undercompression3.2CFRP管拉伸试验图7给出了CFRP管拉伸实验试件的破坏形式,图8给出CFRP管拉伸实验得到的应力-应变曲线。与压缩实验的应力-应变曲线相比,有很大的不同。通过分析应变数据,可知当加载后试件变形应变达到0.005时,发出劈劈啪啪的响声,这时树脂开始有微裂(a)CT21 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 54土木工程学报2009年验,环向应变要比轴向应变小得多,压缩试验环向平均应变与轴向平均应变的比约为114,拉伸试验环向平均应

20、变与轴向平均应变的比约为118。4数值模拟分析4.1破坏模式与准则本文采用有限元软件ABAQUS对CFRP圆管的破坏进行数值模拟分析。层合复合材料的破坏模式强烈地依赖于材料的几何形状,加载方向和铺层方向。具有代表性的破坏模式可以分为面内破坏模式和横向破坏模式。在ABAQUS中,各向异性破坏模式是基于Hashin和Rotem等人425的研究工作建立的。对于单层考虑了四种不同的破坏模式:纤维受拉断裂;纤维受压屈曲和扭折;在横向拉力和剪力作用下,基体开裂;在横向压力和剪力作用下,基体破碎。在,。在这些准则,(有效抗力作用面上)表述的,考虑了四种不同的破坏触发的机理:纤维受拉;纤维受压;基体受拉;基体

21、受压。破坏触发准则如下:(1)纤维受拉(110)112tFf=XT)+12SL)2(1)(2)纤维受压(110)Ff=cXC)2(2)(3)基体受拉(220)Fm=t22XT)2+12SL)2(3)(4)基体受压(220)222YC222122)+)-1(4)+)2ST2STYCSL在公式(1)(4)中:XT为纤维增强复合材料在Fm=c纤维方向的抗拉强度;XC为纤维增强复合材料在纤维方向的抗压强度;YT为纤维增强复合材料在垂直于纤维方向的抗拉强度;YC为纤维增强复合材料在垂直于纤维方向的抗压强度;SL为纤维增强复合材料纵向剪切强度;ST为纤维增强复合材料横向剪切强度,一般取ST=YC/2;为剪

22、应力对受拉触发准则的影响系3.3应变分析从图9中可以看出,无论是压缩试验还是拉伸试数,一般取1.0。11,22,12是评估触发准则时使用的有效应力向量()成分,由公式(5)得到。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 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55=M(1-df)M=(5)00(1-ds0(1-dm)00(6)在破坏发生前,破坏算子M是一个单位矩阵,即=。4.2有限元分析模型在ABAQUS分析中,建立了CFRP圆管的有限元模

23、型。模型与试验试件的尺寸完全一致,边界条件也与试验中管端夹持条件一致,只有轴向放松。在定义复合材料形式时采用了线弹性的层合结构(Lamina),CFRP圆管采用四节点壳单元S4模拟。破坏触发条件如4.1节所述,采用了Hashin准则,定义Hashin准则所需要的CFRP材料的力学参数见表4。破坏发生后,该处的单元应力变为0,但是应变继续增加。纤维增强复合材料破坏模式分析结果对模型网格划分有很强的依赖性,经过试算及与实验结果对比分析后本文对压缩模型网格数轴向15个,环向30个,即共选取了450个单元;拉伸模型网格数轴向50个,环向30个,即共选取了1500个单元。加载形式也与试验一致,采用位移加

24、载。6式中:为名义应力;M为破坏算子,df,dm,ds为表征纤维破坏、基体破坏和剪切破坏的内变量,上述破tct坏源于与先前讨论相一致的破坏变量df,df,dm,dm,即:c当110时dfc当110时dfdft(7)dm当220时c当220时dmdmttctc(8)ds=1-(1-df)(1-df)(1-dm)(1-dm)(9)表4单向CFRPTable4PropertiesiXT(MPa)XC(MPa)YT(MPa)Y()E11()G12(MPa)120.3SL(MPa)1229.4914.8120.83874133.04.3分析结果通过使用ABAQUS分析可以发现,在CFRP圆管受压强度破坏

25、模式为纤维受压后的扭折破坏,分析时,表现为破坏位置基本在距离管端部1/3处,这部分应力减小,局部变形增大。这与实验中破坏位置和形式一致;在拉伸强度破坏模式为纤维拉断,破坏主要集中在锚固端,破坏位置也与实验结果基本一致。这说明,CFRP圆管的压缩破坏模式为纤维受压后扭折致使纤维折断,然后基体开裂;CFRP圆管拉伸破坏模式为纤维拉断。CFRP圆管在拉、压荷载作用下的破坏形式和破坏时应力分布见图10。(b)受拉分析图10CFRP圆管破坏时应力分布情况Fig.10StressdistributionofCFRPtubesafterfailure图11给出了数值模拟分析得到的应力2应变曲线与实验获得的应

26、力2应变曲线,其中,L21,L22,L23分别代表实验中三个试件由LVDT采集的位移变化量换算后得到的应变,进一步绘出的应力2应变曲线,L24为数值模拟的应力2应变曲线。通过分析可见,无论CFRP圆管受压还是受拉,实验得到的CFRP圆管的强度值都略小于数值模拟得到的强度值,这是由于用于实验(a)受压分析的CFRP圆管在加工成型过程中,不可避免地存在加工缺陷,直接降低了CFRP圆管的强度,而数值模拟是 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 56土木工程学报2009年一种

27、理想情况,没有考虑加工缺陷。两段,第一段是纤维和树脂共同工作阶段,这一阶段CFRP圆管的应力可达450MPa,应变可达0.015,这一段是线弹性的;第二阶段是有部分树脂开裂退出工作,这时部分纤维单独承受拉力段,但这一阶段仍然存在没有开裂的树脂和纤维共同工作,直至破坏,这一段由于树脂开裂,CFRP管的刚度退化,变形增加很快。(4)通过对应变进行分析,无论是压缩试验还是拉伸试验,环向应变要比轴向应变小得多。这说明CFRP圆管的环向变形很小。(5)由于数值模拟建模未考虑试件的缺陷,数值模拟的强度比实验结果略高,但总体吻合较好;计算结果同时揭示了CFRP圆管在轴向受压和轴向受拉作用下的破坏模式。参考文

28、献1叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展J.土木工程学报,2006,39():24236(YeLieping,FengPeng.opmentoffiber2reinforcedmerinJ.ChinaCivil2006,39(3):24236(inChinese)图11数值模拟Fig.11Comparison2ofCFRPtubesbetweenmulationandtests2王晓洁,张炜,刘炳禹.碳纤维湿法缠绕基体配方及成型研究J.固体火箭技术,2001,24(1):60263(WangXiaojie,ZhangWei,LiuBingyu.Studyonthematrixformulationandformingforcarbonfibercompositesinwet5结论3windingprocessJ.JournalofSolidRocketTechnology,2001,24(1):60263(inChinese)SwansonSR,SmithLV.ComparisonofthebiaxialstrengthpropertiesofbraidedandlaminatedcarbonfibercompositesJ.CompositesPartBEngineering,19