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發(fā)布日期：2019/11/30 11:04:03 訪問次數(shù)：542
碳纖維(CF)增強復合材料(CFRP)具有輕質高強等特性[1–2]，已逐步應用于航空、汽車和軌道交通等行業(yè)，且由覆蓋件逐漸應用于主承力構件中[3]。然而，CFRP結構常出現(xiàn)脆性破壞，主要表現(xiàn)為纖維斷裂、分層和脫粘等現(xiàn)象[4–5]。在高速公路及橋梁防護欄等安全防護設施中，汽車與防護欄的碰撞實際是汽車與護欄上金屬管的徑向碰撞[6–7]，然而傳統(tǒng)金屬已不能滿足如今高速碰撞的吸能性要求，而輕質高強的CFRP因其脆性破壞也不能進行直接替代，因此，國內(nèi)外學者通過金屬與CFRP的混合形式來提高結構的徑向壓縮性能[8–10]。
目前，很多學者對復合材料與金屬及其它材料的混合形式展開了研究，其主要是通過兩種材料混合使得復合材料以一種穩(wěn)定、可控的方式產(chǎn)生變形，從而提升結構的能量吸收能力[11]。Yan Libo等[12]研究了聚氨酯泡沫填充亞麻織物復合材料圓管的徑向壓潰性能，結果表明，與相同尺寸的亞麻織物圓管和聚氨酯泡沫圓管相比，聚氨酯泡沫填充亞麻織物復合材料圓管的徑向壓縮性能有所提高；而蔡學瑜等[13]研究了鋁蜂窩填充CFRP圓管的徑向壓縮性能，同樣發(fā)現(xiàn)，與CFRP圓管和鋁蜂窩圓管相比，鋁蜂窩填充CFRP圓管的總吸能和比吸能均有提高，并且破壞模式也較為穩(wěn)定；陳光偉等[14]研究了內(nèi)襯聚偏氟乙烯熱塑層的纖維纏繞復合材料管的徑向壓縮性能，結果表明，纖維纏繞角度、層厚度及碳／
玻纖維混雜比均是影響其徑向壓縮性能的重要因素；Song Hongwei等[15]、H. C. Kim等[11]分別對CFRP纏繞鋁管(Al-CFRP)混合圓管和方管進行了軸向壓縮的實驗，研究表明，復合材料厚度以及鋪層方式等對軸向壓縮性能都有較大影響。作為防護以及管道使用時需考慮徑向壓縮下管件的吸能與承載能力，在這方面對于Al-CFRP混合圓管的研究較少。上海工程技術大學等采用實驗和仿真相結合的方法，通過準靜態(tài)徑向壓縮實驗，分別對純Al管、純CFRP管以及Al-CFRP復合管破壞模式進行了研究，并進一步結合仿真和實驗結果分別研究了Al-CFRP復合管內(nèi)襯Al管和外層CFRP管的失效機理。
Al管：AA6063T6，東莞市廣美鋁業(yè)有限公司；
CF：T700–12K，日本東麗株式會社；
環(huán)氧樹脂(EP)：BAC172，浙江百合航太復合材料有限公司。
通過濕法纏繞工藝，將預浸過EP樹脂的CF絲束纏繞在芯模上，然后將纏繞好的CFRP管脫模并用真空袋密封好，最后放置于烘箱中固化成型，制得CFRP管。
Al-CFRP復合管由純Al管外層纏繞CFRP組成，純Al管的外徑與純CFRP管的內(nèi)徑相同，其中純Al管內(nèi)徑為35.5?mm，壁厚為1.5?mm，樣件長度為60?mm，而純CFRP管內(nèi)徑為38.5?mm，鋪層數(shù)為6層，根據(jù)現(xiàn)有纏繞機特點，本次實驗設計的CF纏繞角度為[45°／–45°／90°]2，純Al管、純CFRP管和Al-CFRP復合管的結構如圖1所示，純Al管和純CFRP管的性能參數(shù)列于表1，詳細幾何結構參數(shù)列于表2。
在進行Al-CFRP復合管樣件制作時，為增加Al管外表面的粗糙度，提高Al管外表面與CFRP層的界面粘接強度，在進行復合管纏繞之前，首先需要使用砂紙將Al管的外表面進行打磨拋光處理；然后將打磨后的Al管浸泡在丙酮中進行清洗，去除表面雜物。通過濕法纏繞工藝將CFRP絲束纏繞在清洗后的Al管上，其中0°為沿管的軸向方向。最后將纏繞好的復合管用真空袋密封好放置于烘箱中固化成型。以預浸料中過量的樹脂作為膠粘劑，實現(xiàn)CFRP和Al管之間的粘結，制得復合管。
采用實驗和仿真相結合的方法，分別對純Al管、純CFRP管以及Al-CFRP復合管進行了準靜態(tài)徑向壓縮實驗，研究了其在徑向壓縮作用下的破壞模式和性能。實驗結果表明，Al-CFRP復合管承載具有穩(wěn)定的破壞模式且明顯改善了純Al管和純CFRP管的徑向壓縮性能，相比純CFRP管，其峰值載荷、總吸能和比吸能分別提高了77.4%，223.5%以及39.6%。進一步通過仿真分析并結合實驗結果，分別研究了Al-CFRP復合管的內(nèi)襯Al管和外層CFRP管在徑向壓縮過程中的應力、應變變化，更好地解釋了Al-CFRP復合管在徑向壓縮時的破壞機理，發(fā)現(xiàn)由于Al管和CFRP管的相互抑制作用，使得Al管并未發(fā)生側壁斷裂且改善了CFRP管的纖維斷裂和分層現(xiàn)象，整個徑向壓縮過程更為穩(wěn)定。因此，Al-CFRP復合管可以有效地提高傳統(tǒng)金屬和復合材料管的徑向壓縮穩(wěn)定性和吸能性并實現(xiàn)了輕量化。
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