·860· 工程科学学报，第40卷，第7期 a (b) (d) 图3正交铺层薄壁管实验屈曲模式.(a)T-125:(b)T-55: 图4均衡铺层薄壁管实验屈曲模式.(a)T-125:(b)T-55: (c)T-20:(d)BL0-T-20 (c)T-20:(d)BL0-T-20 Fig.3 Buckling mode of thin-walled composite tube with cross-ply Fig.4 Buckling mode of thin-walled composite tube with balanced stacking:(a)T-125:(b)T-55:(c)T-20:(d)BL.0-T-20 stacking:(a)T-125:(b)T-55:(c）T-20:(d)BL0-T-20 在均衡铺层的复合材料管轴压实验中，观察到 14000 沿45°的波形分布以及波形沿纵向较为明显（如图4 屈曲载荷 12000 所示).从实验获得的复合材料薄壁管的屈曲模式 10000 可以判断本文设计的复合材料管发生的是压缩局部 屈曲失效，且在两种不同铺层方式的复合材料薄壁 8000 管中并没有随着铺层厚度的减薄而出现失效模式的 6000 -T-125 转变.由于均衡铺层薄壁管中存在45°的铺层，其局 4000 ★-T-55 部屈曲模式不同于正交铺层方式的薄壁管，正交铺 4-T-20 ◆-B1.0-T-20 2000 层薄壁管中只有0°和90的铺层且比例为1：1，其屈 曲波形表现为沿纵向和环向扩展相当.此外，正交 0 0.2 0.4 0.60.8 1.0 1.2 铺层薄壁管局部屈曲多发生在试样端部，而在均衡 位移/mm 铺层薄壁管中，正是由于45°铺层的存在，屈曲波形 图5正交铺层薄壁管轴压载荷-位移曲线 从试样端部呈45扩展至中间. Fig.5 Load-displacement curves of the thin-walled composite tube 2.2局部屈曲载荷 with cross-ply stacking under axial compression 以正交铺层薄壁管的轴压载荷-位移曲线（如 荷相比于管CP-T-125分别提高了53.69%和 图5所示)为例分析管的轴压屈曲行为，不同于金 16.63%;在均衡铺层薄壁管中也分别提高了 属材料薄壁管的渐进屈曲失效行为，复合材料薄壁 12.59%和9.68%.此外，堆砌铺叠的管的局部屈曲 管表现为突发性的局部屈曲，一旦局部屈曲发生后 载荷与标准铺层厚度管数值相当，也就是说堆砌铺 结构就失去了继续承载的能力，其载荷-位移曲线 叠策略不能发挥薄铺层的尺寸效应，这是因为堆砌 表现为单峰，对应的载荷峰值为管的局部屈曲载荷. 的方式并没有改变同一角度铺层的厚度，其实质与 图6为实验测试得到的管的平均局部屈曲载荷（平 标准铺层的管的铺层一样.而叠加铺层的薄铺层复 行试样5个)，为避免厚度差异对实验规律的影响， 合材料管局部屈曲载荷相比标准铺层管较高，发挥 所有局部屈曲载荷都按照式(1)进行归一化处理. 出了薄铺层的尺寸效应.为探究复合材料薄壁管局 由图6可知，两种铺层方式的复合材料薄壁管 部屈曲载荷随铺层厚度减薄而提高的主导因素以及 局部屈曲载荷均随铺层厚度的减薄而提高，在正交 均衡铺层管局部屈曲载荷较正交铺层高的原因，采 铺层薄壁管中，管CP-T-20和CP-T-55的屈曲载 用文献[17]提供的计算方法对不同铺层厚度复合工程科学学报,第 40 卷,第 7 期 图 3 正交铺层薄壁管实验屈曲模式 郾 ( a) T鄄鄄125; ( b) T鄄鄄55; (c) T鄄鄄20; (d) BLO鄄鄄T鄄鄄20 Fig. 3 Buckling mode of thin鄄walled composite tube with cross鄄ply stacking:(a) T鄄鄄125; (b) T鄄鄄55; (c) T鄄鄄20; (d) BLO鄄鄄T鄄鄄20 在均衡铺层的复合材料管轴压实验中,观察到 沿 45毅的波形分布以及波形沿纵向较为明显(如图 4 所示). 从实验获得的复合材料薄壁管的屈曲模式 可以判断本文设计的复合材料管发生的是压缩局部 屈曲失效,且在两种不同铺层方式的复合材料薄壁 管中并没有随着铺层厚度的减薄而出现失效模式的 转变. 由于均衡铺层薄壁管中存在 45毅的铺层,其局 部屈曲模式不同于正交铺层方式的薄壁管,正交铺 层薄壁管中只有 0毅和 90毅的铺层且比例为 1颐 1,其屈 曲波形表现为沿纵向和环向扩展相当. 此外,正交 铺层薄壁管局部屈曲多发生在试样端部,而在均衡 铺层薄壁管中,正是由于 45毅铺层的存在,屈曲波形 从试样端部呈 45毅扩展至中间. 2郾 2 局部屈曲载荷 以正交铺层薄壁管的轴压载荷鄄鄄 位移曲线(如 图 5 所示)为例分析管的轴压屈曲行为,不同于金 属材料薄壁管的渐进屈曲失效行为,复合材料薄壁 管表现为突发性的局部屈曲,一旦局部屈曲发生后 结构就失去了继续承载的能力,其载荷鄄鄄 位移曲线 表现为单峰,对应的载荷峰值为管的局部屈曲载荷. 图 6 为实验测试得到的管的平均局部屈曲载荷(平 行试样 5 个),为避免厚度差异对实验规律的影响, 所有局部屈曲载荷都按照式(1)进行归一化处理. 由图 6 可知,两种铺层方式的复合材料薄壁管 局部屈曲载荷均随铺层厚度的减薄而提高,在正交 铺层薄壁管中,管 CP鄄鄄 T鄄鄄20 和 CP鄄鄄 T鄄鄄55 的屈曲载 图 4 均衡铺层薄壁管实验屈曲模式 郾 ( a) T鄄鄄125;( b) T鄄鄄 55; (c) T鄄鄄20;(d) BLO鄄鄄T鄄鄄20 Fig. 4 Buckling mode of thin鄄walled composite tube with balanced stacking: (a) T鄄鄄125; (b) T鄄鄄55; (c) T鄄鄄20; (d) BLO鄄鄄T鄄鄄20 图 5 正交铺层薄壁管轴压载荷鄄鄄位移曲线 Fig. 5 Load鄄鄄 displacement curves of the thin鄄walled composite tube with cross鄄ply stacking under axial compression 荷相 比 于 管 CP鄄鄄 T鄄鄄 125 分 别 提 高 了 53郾 69% 和 16郾 63% ;在 均 衡 铺 层 薄 壁 管 中 也 分 别 提 高 了 12郾 59% 和 9郾 68% . 此外,堆砌铺叠的管的局部屈曲 载荷与标准铺层厚度管数值相当,也就是说堆砌铺 叠策略不能发挥薄铺层的尺寸效应,这是因为堆砌 的方式并没有改变同一角度铺层的厚度,其实质与 标准铺层的管的铺层一样. 而叠加铺层的薄铺层复 合材料管局部屈曲载荷相比标准铺层管较高,发挥 出了薄铺层的尺寸效应. 为探究复合材料薄壁管局 部屈曲载荷随铺层厚度减薄而提高的主导因素以及 均衡铺层管局部屈曲载荷较正交铺层高的原因,采 用文献[17]提供的计算方法对不同铺层厚度复合 ·860·