骆诗华 杨彩云

(天津工业大学纺织学院，天津，300387)

近年来，随着科学技术的飞速发展，管状复合材料在产业用材料领域日益显示出巨大的应用潜力。管状复合材料因其优良的综合性能，如质量轻、耐疲劳性能优异、比强度和比刚度高、耐腐蚀性能好等，受到工程界的普遍关注，被广泛应用于消防、管道修复、给水排水、医疗、航天航空等领域［1］。

为了更加有效地设计和使用管状复合材料，深入研究其真实的细观结构和预测其力学性能是非常重要的。目前对管状复合材料力学性能的研究方法主要有试验研究、力学模型研究和数值仿真研究三种。本文将介绍近年来国内外学者在管状复合材料力学性能研究方面的主要工作和成果，并展望未来的研究方向。

1 管状复合材料力学性能的试验研究

管状复合材料主要应用于管道修复和航空航天等领域，其机械性能主要表现在结构响应、损伤模式、破坏特性及吸能等方面。目前，国内外对管状复合材料力学性能的试验研究主要集中在拉伸、压缩、扭转等方面，以揭示材料结构的损伤模式、破坏形式和吸能能力等。

Hufenbach等［2］采用卷绕或编织的方法加工管状复合材料，并对其进行拉伸、压缩和扭转试验，研究表明由于几何形状和结构的复杂性，管状复合材料的破坏模式表现为拉伸性断裂和压缩失稳破坏等。Yan等［3］采用手糊成型工艺制造纤维增强环氧树脂复合管，并对其进行准静态压缩，分析其粉碎特性、能量吸收能力和渐进式破碎，结果表明该复合管在压扁过程中的能量吸收比现有管的能量大。Lai等［4］通过压缩、扭转和弯曲试验对复合圆柱管和复合软管的力学性能进行了对比，分析了它们的优缺点，研究表明圆形复合材料管的强度质量比较高，而其刚度质量比则较低。

刘佳［5］进行了圆管机织复合材料的拉伸、压缩和扭转试验，并分析了其细观结构和损伤破坏过程。研究表明，圆管机织复合材料拉伸、压缩试件在接近破坏时，弯曲的经纱会在拉伸载荷作用下由弯变直，或伸直的经纱会在压缩载荷作用下由直变弯，从而导致材料的部分基体与纱线分离而脱落;扭转试件随着扭转角的不断增大，环向纬纱会因基体与纱线的相互作用而在圆管径向产生不同程度的位移，所以扭转角的增大会在管的径向形成褶皱。但由于圆管机织复合材料试件不具有自由边界，所以其具有更好的整体性能和承载能力。

易洪雷等［6］采用管芯加塞弯曲试验方法对纤维增强复合材料圆管进行了弯曲试验，并对其弯曲性能进行了评价，同时建立了复合材料圆管的弯曲强度模型。杜刚等［7］对端部加缠碳纤维的复合材料圆管进行了压缩试验，研究表明在轴向压缩载荷作用下，端部加强能减小圆管的径向变形，有利于提高管状复合材料的压缩性能。闫光等［8］对复合材料圆柱壳的轴向压缩性能进行了试验研究，结果表明其结构的破坏模式为屈曲破坏。张淑洁等［9］探索了管状纺织复合材料的制备和应用问题，分析了其应用性能，并对管状纺织复合材料进行了物理性能等测试，结果表明所研制的管状纺织复合材料符合国内外的标准要求。

虽然国内外学者在管状复合材料的力学性能测试、损伤扩展及破坏形式等试验研究方面做了很多工作，但是测试方法的水平较低，尚未标准化，而且借鉴树脂基复合材料的试验方法来研究管状复合材料的力学性能具有一定的局限性。另外，对管状复合材料弯曲性能的研究较缺乏，这方面的相关报道较少。

2 管状复合材料的力学模型研究

由于管状复合材料的微观结构比较复杂，因此单凭试验全面研究其力学性能，而且管状复合材料力学性能的理论预测工作对研究其力学性能尤为重要。为了能够更全面系统地研究管状复合材料的力学性能，国内外学者在试验研究的基础上开展力学模型研究，取得了一些成果。

Ayranci等［10］概述了二维晶胞的曲率半径对管状编织复合材料弹性行为的影响，对管状编织复合材料的弹性常数进行了敏感性研究，提出了将曲率半径设定为接近无穷大的单胞力学模型，研究表明该模型适用范围广，且与试验结果有很好的一致性。Alpyildiz［11］对不同结构管状编织物的几何模型进行了研究，将编织纱的卷曲曲率考虑到所建立的三维模型中，该三维模型能够准确地反映管状复合材料结构参数对其力学性能的影响。Hwan等［12］采取扩展的弹簧模型来预测三维四步编织管状复合材料的有效弹性模量，还研究了单胞表面编织角和纤维体积分数对管状复合材料有效弹性模量的影响。

陈利等［13］采用定义代表性控制域法研究了管状三维编织的空间纱线交织结构，分析纱线运动规律，得到管状结构的单胞模型。马文锁等［14］采用可变微单元几何模型对管状三维编织复合材料的细观结构进行了参数化描述，为确定编织纱线在单元中的位置及体积百分数与微单元局部力学性能的关系，提供了一种切实可行的分析模型。李典森等［15］通过研究三维五向管状编织的纱线交织结构，建立了内部单胞和表面单胞模型，并基于该模型采用改进的刚度平均化法对管状复合材料的弹性性能进行预测。王瑞等［16］基于对管状复合材料特殊力学性能的要求及自身结构特点，通过试验建立了管状复合材料的拉伸断裂强力/宽度与破裂压强间关系的数学模型，通过验证该数学模型精度较高。焦志文等［17］采用多尺度耦合模型研究了圆管状立体机织复合材料的力学性能，建立了反映纤维束中纤维和基体的微观尺度，以及反映周期性编织结构细观尺度的扇形单胞，通过逐级计算微观单胞、细观单胞的平均弹性常数，得到了管状复合材料的刚度参数，试验表明该模型预测的刚度精度较高。刘佳等［18］将管状三维机织复合材料的纤维束截面假设为椭圆形，提出一种管状结构的单元体划分方式，建立了力学模型预测其工程弹性常数;并采用分层研究的方法，讨论了弹性模量及纤维体积含量与圆管半径的关系。孙志宏等［19］基于可设计几何参数和单元胞体的组织结构，采用跑道型纤维束截面假设，建立了适当的单元胞体力学模型来预测圆织三维管状复合材料的纤维体积分数和弹性常数。

目前的研究分析所提出的单胞模型的简化和假设过多，上述模型大都借鉴其他理论模型来分析管状复合材料的结构，忽略了单胞内纱线浸渍基体后截面形状的改变和纱线的屈曲程度等因素。今后的研究工作在选取单胞或建立模型时应当尽可能减少简化和假设，建立能够真实反映管状复合材料细观结构的模型。

3 管状复合材料力学性能的数值仿真

数值仿真研究方法主要是指有限元法。随着对管状复合材料力学性能研究的不断深入，人们逐渐将有限元分析手段运用于管状复合材料的力学性能研究中，并取得了一定的成果。

Zhang等［20］采用 ABAQUS/显式材料的渐进失效模型对管状编织复合材料的准静态轴向挤压过程进行模拟，该模拟计算出的故障模式、载荷位移曲线和特异性能量吸收性能的结果与试验吻合;此外，模拟还提供了有关管变形和破坏机制发生的信息。Mamalis等［21］运用LS-DYNA3D软件对碳纤维增强管状复合材料承受动静态轴向压溃载荷的三种典型失效模式进行了有限元模拟，并给出了渐进压溃、局部屈曲及崩溃断裂三种失效模式的模拟结果。Gelebart［22］采用有代表性的单胞在周期性边界条件下对管状复合材料进行模拟，忽略管的半径，评估管的同质性行为，在考虑非线性行为的情况下分析了管半径局部的应力和应变。Han等［23］对编织纤维层的单向玻璃纤维复合材料管进行了详细的数值研究，讨论了模拟过程中的单元选择、材料模型、边界条件和接触算法。Das等［24］采用有限元模拟技术对管状复合材料结构黏结接头进行研究，选择应变能释放用作评估分层损伤增长的特征参数，研究表明剥离应力比剪切应力三维效果更为敏感，在耦合长度加紧边缘侧位置容易出现分层破坏。

徐永红等［25］基于所建立的管状机织物三维模型，采用有限元分析法对管状机织物外套于管子时的抽拔过程进行了数值模拟，为管织物抽拔自锁和破坏预估计提供了有效的预报方法。张淑洁等［26］对管状复合材料在翻衬时的应力应变进行了试验和理论分析，并采用有限元法对此过程进行模拟，研究表明管状复合材料在翻转时，翻转头端有应力集中的现象，该处最容易发生破裂。张雪丽等［27］采用有限元分析软件对含有损伤的三维编织复合材料圆柱壳进行了分析，重点研究编织角、损伤程度等因素对三维编织复合材料圆柱壳体结构稳定性的影响。张淑洁等［28］采用有限元法对管状纺织复合材料在内压作用下其翻衬时的应力与应变情况进行了分析，并分析修复管道管径的范围;还采用定负荷拉伸试验对有限元分析的结果进行验证，结果表明试验值与有限元模拟值基本吻合。李俭等［29］建立了细观刚度场与缠绕管状复合材料整体结构的映射关系，并将该模型引入缠绕管状复合材料结构有限元分析中，研究表明在缠绕管状复合材料有限元分析中，采用基于傅里叶级数的细观刚度模型可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响。孙颖等［30］采用刚度平均化法基于单胞模型确定复合材料的本构特性，利用Patean/Marc对炭/环氧三维多向编织复合材料圆管相贯型接头的承载性能进行有限元应力分析，讨论细观结构形式和编织角对接头结构受力变形行为的影响，研究表明编织角三维六向编织管状复合材料结构的特性更接近各向同性。崔海涛等［31］采用有限元法对缠绕复合材料弯管的应力进行了分析，并采取最大应力作为判断结构失效的准则，结果表明应该将材料的非线性特性考虑到缠绕管状复合材料力学性能分析中。王新峰等［32］采用有限元分析法建立了三维机织管状复合材料的细观单胞模型，并基于该模型对管状复合材料在轴向拉伸情况下损伤的整个过程进行模拟和分析。

有限元分析法是一种现代计算方法，是研究管状复合材料力学性能非常有效的分析手段。但是有限元模拟结果的准确性与所建立模型的正确性息息相关，而且模型也要尽可能反映材料真实的微观结构。此外，对已建立模型所施加的边界条件也是一个非常重要的因素。采用有限元法预测管状复合材料的力学性能，不仅可以预先发现材料结构的潜在问题，还可以优化设计管状复合材料，使其力学性能得到更好的改善。此外，该研究方法还促进了管状复合材料力学性能预测工作的发展。

4 结语

人们对管状复合材料的力学性能研究仍以试验研究为主，主要研究管状复合材料的拉伸、压缩和扭转等性能，还没有深入研究材料的蠕变及弯曲等力学问题;而且目前的试验研究主要是针对管状复合材料在静态或准静态下的力学性能，较少涉及有关材料在动态负载下的力学性能，同时也忽略了试验条件对测试结果的影响。因此在今后的研究中，应该提出新的试验方法，并将试验方法标准化。另外，由于管状复合材料具有复杂的微观结构及多样性的材料参数，所以预测其力学性能的力学模型也具有多样性。但现有的模型基本上都忽略了材料结构内纱线的屈曲状态、纱线的真实走向，以及纤维和基体二相间的影响等因素。以后的研究工作在建立力学模型时应当尽可能真实反映管状复合材料的细观结构。此外，有限元法预测管状复合材料的力学性能是目前较有效的分析手段，但要获得准确的预测结果，需要深入研究材料的属性，建立合适的本构模型及选定合适的边界条件，而且在建立有限元模型时不要过于简单化和做太多的假设。目前的有限元分析法主要采用线性材料的本构方程研究管状复合材料的力学性能，较少涉及到管状复合材料复杂的非线性力学行为，且没有统一的失效准则。因此，在今后的管状复合材料力学性能的研究中，要获得更真实的模拟结果还需更深入地进行细致、系统的研究工作。

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