黄春芳等：薄铺层复合材料薄壁管轴压屈曲行为研究 ·859· 为对比，在两种薄壁管试样中各设置一个堆砌铺叠 的试样，即将原有的每一个标准厚度铺层用多个薄 铺层替代，且保持铺层角度一致.正交铺层方式的 复合材料薄壁管对比试样采用T-20预浸料制备， 均衡铺层方式的复合材料薄壁管对比试样采用T- 热收缩带 55预浸料制备.[90/0]和[45/0/-45/90]的铺层 顺序设计是依据文献研究结论：对于轴向承载的结 构，45°和90°层优先铺设在表面时可获得最高的屈 曲载荷20] 加强端 表3复合材料薄壁管的铺层设计 Table 3 Stacking design of composite cylindrical shell 铺层 正交铺层 均衡铺层 堆砌 图2热收缩带辅助固化成型 T-125 [90/0]. [45/0/-45/90] Fig.2 Curing of tube assisted by heat shrinkable tape T-55 [(90/0)2/0].[45/0/-45/90]2[452/02/-452/902] T-20 [90/0]6. [45/0/-45/90]。 [90606]. 值越大，这是因为同等壁厚下铺层数相对增多带来 的工艺误差，为避免厚度对实验规律的影响，根据文 1.2试样制备与测试 献[16]可知管的屈曲承载能力正比于壁厚二次方， 试样制备与测试采用的仪器设备如表4所示， 采用下式对测试得到的屈曲载荷做归一化处理. 采用自动卷管工艺制备试样，即将裁剪好的预浸料 (1) 在一定的压力下通过卷管机上下面板的相对运动使 水= 其铺覆在刚性模具上.自动卷管工艺能够保证预浸 式中，N为归一化后管的屈曲载荷，N.为管的屈曲 料与芯模以及各铺层间贴合紧密，有效减少预浸料 载荷测试值，h为管的平均壁厚 在铺覆中的褶皱：在压力作用下，还能降低制品的孔 采用万能力学试验机以1mm·min-'的加载速 隙率，从而保证制品的性能. 度对薄壁管施加轴向压缩载荷，并用相机记录管的 局部屈曲过程，每种试样的平行试样数为5. 表4实验用仪器和设备 Table 4 Instruments and equipment for testing 表5复合材料薄壁管厚度 设备 型号 厂家 Table 5 Thicknesses of composite cylindrical shells 自动裁剪机 FH-1815 经纬科技 管 平均管壁厚度/mm 标准差/9% 自动卷管机 WHJG-508 威海宏成机电 CP-T-125 0.50 0.86 烘箱 DG 宁波红菱电热烘箱 CP-T-55 0.53 1.64 电子游标卡尺 0~150 哈量 CP-T-20 0.59 1.61 高度尺 0~500 哈量 BA-T-125 0.47 0.99 BA-T-55 0.49 2.12 为了在复合材料管固化过程中保证其外形尺寸 BA-T-20 0.62 0.28 和制品质量，将预浸料按设计铺覆完后，在固化之前 BLO-BA-T-55 0.49 0.82 还需将其进行预处理，利用热收缩带的紧缩压力压 BLO-CP-T-20 0.59 1.04 实坯体（图2所示）.试样的端部加强处理为在完成 卷管后按照试样设计长度在相应位置处额外缠绕 2 实验结果与分析 T-125预浸料带进行加强，加强铺层方式为[0/ 90]4,加强层厚度1mm. 2.1局部屈曲模式 复合材料管的固化制度为：80℃保温30min, 复合材料薄壁管在压缩载荷下的失效模式如图 130℃保温90min,随炉冷却至室温.将固化好的复 3和图4所示.实验所观察到的正交铺层复合材料 合材料管切割后制成测试试样，并测试试样的壁厚 薄壁管屈曲波形沿管纵向和环向扩展，且两个方向 以及检测试样上下端面平行度.如表5所示为管的 扩展趋势相当，表现为沿纵向和环向各一个半波 壁厚统计，随着铺层厚度的减薄，管的壁厚偏离设计 屈曲.黄春芳等: 薄铺层复合材料薄壁管轴压屈曲行为研究 为对比,在两种薄壁管试样中各设置一个堆砌铺叠 的试样,即将原有的每一个标准厚度铺层用多个薄 铺层替代,且保持铺层角度一致. 正交铺层方式的 复合材料薄壁管对比试样采用 T鄄鄄 20 预浸料制备, 均衡铺层方式的复合材料薄壁管对比试样采用 T鄄鄄 55 预浸料制备. [90 / 0]和[45 / 0 / - 45 / 90] 的铺层 顺序设计是依据文献研究结论:对于轴向承载的结 构,45毅和 90毅层优先铺设在表面时可获得最高的屈 曲载荷[20] . 表 3 复合材料薄壁管的铺层设计 Table 3 Stacking design of composite cylindrical shell 铺层 正交铺层 均衡铺层 堆砌 T鄄鄄125 [90 / 0] s [45 / 0 / - 45 / 90] — T鄄鄄55 [(90 / 0)2 / 0] s [45 / 0 / - 45 / 90]2 [452 / 02 / - 452 / 902 ] T鄄鄄20 [90 / 0]6s [45 / 0 / - 45 / 90]6 [906 / 06 ] s 1郾 2 试样制备与测试 试样制备与测试采用的仪器设备如表 4 所示, 采用自动卷管工艺制备试样,即将裁剪好的预浸料 在一定的压力下通过卷管机上下面板的相对运动使 其铺覆在刚性模具上. 自动卷管工艺能够保证预浸 料与芯模以及各铺层间贴合紧密,有效减少预浸料 在铺覆中的褶皱;在压力作用下,还能降低制品的孔 隙率,从而保证制品的性能. 表 4 实验用仪器和设备 Table 4 Instruments and equipment for testing 设备 型号 厂家 自动裁剪机 FH鄄鄄1815 经纬科技 自动卷管机 WHJG鄄鄄508 威海宏成机电 烘箱 DG 宁波红菱电热烘箱 电子游标卡尺 0 ~ 150 哈量 高度尺 0 ~ 500 哈量 为了在复合材料管固化过程中保证其外形尺寸 和制品质量,将预浸料按设计铺覆完后,在固化之前 还需将其进行预处理,利用热收缩带的紧缩压力压 实坯体(图 2 所示). 试样的端部加强处理为在完成 卷管后按照试样设计长度在相应位置处额外缠绕 T鄄鄄125 预浸料带进行加强,加强铺层方式为[0 / 90]4 ,加强层厚度 1 mm. 复合材料管的固化制度为:80 益 保温 30 min, 130 益保温 90 min,随炉冷却至室温. 将固化好的复 合材料管切割后制成测试试样,并测试试样的壁厚 以及检测试样上下端面平行度. 如表 5 所示为管的 壁厚统计,随着铺层厚度的减薄,管的壁厚偏离设计 图 2 热收缩带辅助固化成型 Fig. 2 Curing of tube assisted by heat shrinkable tape 值越大,这是因为同等壁厚下铺层数相对增多带来 的工艺误差,为避免厚度对实验规律的影响,根据文 献[16]可知管的屈曲承载能力正比于壁厚二次方, 采用下式对测试得到的屈曲载荷做归一化处理. Ncr = Nct 0郾 5 2 h 2 (1) 式中,Ncr为归一化后管的屈曲载荷,Nct为管的屈曲 载荷测试值,h 为管的平均壁厚. 采用万能力学试验机以 1 mm·min - 1 的加载速 度对薄壁管施加轴向压缩载荷,并用相机记录管的 局部屈曲过程,每种试样的平行试样数为 5. 表 5 复合材料薄壁管厚度 Table 5 Thicknesses of composite cylindrical shells 管 平均管壁厚度/ mm 标准差/ % CP鄄鄄T鄄鄄125 0郾 50 0郾 86 CP鄄鄄T鄄鄄55 0郾 53 1郾 64 CP鄄鄄T鄄鄄20 0郾 59 1郾 61 BA鄄鄄T鄄鄄125 0郾 47 0郾 99 BA鄄鄄T鄄鄄55 0郾 49 2郾 12 BA鄄鄄T鄄鄄20 0郾 62 0郾 28 BLO鄄鄄BA鄄鄄T鄄鄄55 0郾 49 0郾 82 BLO鄄鄄CP鄄鄄T鄄鄄20 0郾 59 1郾 04 2 实验结果与分析 2郾 1 局部屈曲模式 复合材料薄壁管在压缩载荷下的失效模式如图 3 和图 4 所示. 实验所观察到的正交铺层复合材料 薄壁管屈曲波形沿管纵向和环向扩展,且两个方向 扩展趋势相当,表现为沿纵向和环向各一个半波 屈曲. ·859·