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高速旋转的碳纤维圆管周向强度有多大?

  高(gao)速旋转时碳(tan)纤(xian)(xian)维复(fu)(fu)合(he)材料(liao)圆筒的(de)(de)(de)(de)受(shou)(shou)力比较简单,主要(yao)承受(shou)(shou)周(zhou)向(xiang)应力,因而(er)周(zhou)向(xiang)强(qiang)(qiang)(qiang)度(du)要(yao)保(bao)证其复(fu)(fu)合(he)材料(liao)层不失效,并且有一定的(de)(de)(de)(de)安全(quan)裕度(du),同(tong)时圆筒的(de)(de)(de)(de)周(zhou)向(xiang)模(mo)量要(yao)保(bao)证其径向(xiang)变形也要(yao)在合(he)理的(de)(de)(de)(de)控(kong)制范围,以减小由(you)于泊松(song)效应而(er)引(yin)起的(de)(de)(de)(de)轴向(xiang)缩短。因此(ci),对圆筒周(zhou)向(xiang)强(qiang)(qiang)(qiang)度(du)进(jin)行(xing)有效的(de)(de)(de)(de)分析和(he)可(ke)靠的(de)(de)(de)(de)评(ping)价,确定圆筒周(zhou)向(xiang)强(qiang)(qiang)(qiang)度(du)能否满足设计(ji)安全(quan)系数要(yao)求(qiu)就显(xian)得(de)尤为(wei)重要(yao)和(he)必要(yao)。然而(er)碳(tan)纤(xian)(xian)维复(fu)(fu)合(he)材料(liao)非(fei)(fei)均质、各向(xiang)异性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)特(te)点对于解析计(ji)算的(de)(de)(de)(de)影(ying)响(xiang)显(xian)而(er)易见,不连续(xu)性(xing)(xing)和(he)不均匀性(xing)(xing)对强(qiang)(qiang)(qiang)度(du)的(de)(de)(de)(de)影(ying)响(xiang)又(you)很大,同(tong)时由(you)于碳(tan)纤(xian)(xian)维复(fu)(fu)合(he)材料(liao)圆筒周(zhou)向(xiang)强(qiang)(qiang)(qiang)度(du)较高(gao),高(gao)速旋转时,允许产生较大的(de)(de)(de)(de)变形,这又(you)会(hui)导致非(fei)(fei)线性(xing)(xing)大挠度(du)弯(wan)曲(qu)问题。

  试(shi)验件碳(tan)纤(xian)维复合材料(liao)圆(yuan)筒采用(yong)连续(xu)纤(xian)维湿法缠(chan)绕工艺成型。增强纤(xian)维通过(guo)导轮进入(ru)树脂胶槽浸胶,然(ran)后在张力的(de)控制下缠(chan)绕在芯(xin)模(mo)上,再经过(guo)固化、脱模(mo)、切割(ge)等工艺过(guo)程完成圆(yuan)筒的(de)成型。复合材料(liao)层(ceng)由(you)环(huan)(huan)向(xiang)缠(chan)绕层(ceng)和螺(luo)旋缠(chan)绕层(ceng)组成。环(huan)(huan)向(xiang)缠(chan)绕层(ceng)保证圆(yuan)筒的(de)周(zhou)向(xiang)强度(du)和周(zhou)向(xiang)刚度(du),螺(luo)旋缠(chan)绕层(ceng)(角度(du)层(ceng))则(ze)主要提(ti)供圆(yuan)筒的(de)轴(zhou)向(xiang)强度(du)和轴(zhou)向(xiang)刚度(du)。

碳纤维圆筒

  环向(xiang)缠(chan)绕层(ceng)应力(li)(li)水(shui)平较角度(du)缠(chan)绕层(ceng)明显高出很多,这是由复(fu)合材料(liao)力(li)(li)学(xue)特性及结构(gou)的(de)应力(li)(li)分布决定的(de)。碳(tan)纤维(wei)复(fu)合材料(liao)圆(yuan)筒受(shou)(shou)到(dao)内压(ya)作用时,主要承受(shou)(shou)周向(xiang)拉应力(li)(li),且纤维(wei)增强复(fu)合材料(liao)中,纤维(wei)方向(xiang)弹性模量(liang)最大(da),承受(shou)(shou)拉伸载荷(he)的(de)能力(li)(li)最强,因此(ci)环向(xiang)缠(chan)绕层(ceng)应力(li)(li)最大(da)。通过理(li)论计算破坏(huai)内压(ya)载荷(he)为(wei)(wei)52MPa,破坏(huai)时周向(xiang)层(ceng)的(de)周向(xiang)应力(li)(li)为(wei)(wei)3220MPa、轴(zhou)向(xiang)应力(li)(li)为(wei)(wei)41.6MPa。

  通过内(nei)压(ya)爆(bao)破测试(shi)试(shi)样直接从复合材料薄壁圆筒(tong)(tong)上(shang)截取(qu),试(shi)样制(zhi)作方便,成型工(gong)艺与圆筒(tong)(tong)相(xiang)同(tong),且(qie)内(nei)压(ya)载荷(he)能够比(bi)较真(zhen)实(shi)的(de)模(mo)拟离心载荷(he),其测试(shi)结果更能反映测试(shi)试(shi)件的(de)真(zhen)实(shi)力(li)学性(xing)能。碳纤维复合材料圆筒(tong)(tong)采用(yong)角(jiao)度层(ceng)与环(huan)向层(ceng)相(xiang)结合的(de)铺层(ceng)结构,角(jiao)度层(ceng)在(zai)(zai)内(nei)、环(huan)向层(ceng)在(zai)(zai)外。环(huan)向层(ceng)的(de)周向比(bi)模(mo)量(liang)大于角(jiao)度层(ceng)的(de)周向比(bi)模(mo)量(liang),其物理意义在(zai)(zai)于,环(huan)向层(ceng)的(de)应(ying)变小于角(jiao)度层(ceng)的(de)应(ying)变,工(gong)作载荷(he)作用(yong)下,角(jiao)度层(ceng)紧贴(tie)在(zai)(zai)环(huan)向层(ceng)上(shang),角(jiao)度层(ceng)的(de)部分载荷(he)可以由环(huan)向层(ceng)承担,提高(gao)角(jiao)度层(ceng)承载能力(li)的(de)同(tong)时,充分发挥两层(ceng)复合材料的(de)潜能。

碳纤维圆筒

  通过(guo)对多(duo)个测试(shi)(shi)件进(jin)行试(shi)(shi)验(yan)(yan),试(shi)(shi)验(yan)(yan)结果(guo)获得(de)的破坏强度实(shi)测平(ping)均为1941MPa,与理论值(zhi)偏差约为6%。分析认为试(shi)(shi)验(yan)(yan)受诸(zhu)多(duo)因素影响(xiang),而(er)理论计算所(suo)使用的材料参(can)数及尺寸结构均为理想状态,试(shi)(shi)验(yan)(yan)值(zhi)低(di)于设(she)计值(zhi)是(shi)合理的,实(shi)验(yan)(yan)误差在工程(cheng)可接受的范围。

  通(tong)过对(dui)碳(tan)(tan)纤(xian)(xian)维(wei)复(fu)合材(cai)料(liao)(liao)圆(yuan)筒(tong)(tong)周(zhou)向(xiang)力(li)学性能(neng)(neng)的(de)理论分析(xi)和(he)(he)试(shi)验(yan)验(yan)证,由解析(xi)计(ji)(ji)算结果可(ke)知,基(ji)于目前的(de)铺层(ceng)结构,由角(jiao)度层(ceng)与(yu)环向(xiang)层(ceng)所组(zu)成碳(tan)(tan)纤(xian)(xian)维(wei)复(fu)合材(cai)料(liao)(liao)圆(yuan)筒(tong)(tong)在内压(ya)(ya)载(zai)荷(he)作用下(xia),角(jiao)度层(ceng)首先发生(sheng)横(heng)向(xiang)破(po)(po)坏(huai)(huai)。由数(shu)值计(ji)(ji)算结果可(ke)知,碳(tan)(tan)纤(xian)(xian)维(wei)复(fu)合材(cai)料(liao)(liao)圆(yuan)筒(tong)(tong)破(po)(po)坏(huai)(huai)时的(de)破(po)(po)坏(huai)(huai)压(ya)(ya)力(li)载(zai)荷(he)为(wei)52MPa,整体破(po)(po)坏(huai)(huai)强度为(wei)2064MPa。在理论计(ji)(ji)算的(de)基(ji)础上,采用内压(ya)(ya)爆破(po)(po)试(shi)验(yan)方(fang)法和(he)(he)系统(tong)进行了验(yan)证评(ping)估,破(po)(po)坏(huai)(huai)压(ya)(ya)力(li)载(zai)荷(he)两(liang)者(zhe)相(xiang)差(cha)约3%,整体破(po)(po)坏(huai)(huai)强度两(liang)者(zhe)偏差(cha)约为(wei)6%,均在工程(cheng)误(wu)差(cha)范围,内压(ya)(ya)爆破(po)(po)试(shi)验(yan)系统(tong)对(dui)于碳(tan)(tan)纤(xian)(xian)维(wei)复(fu)合材(cai)料(liao)(liao)圆(yuan)筒(tong)(tong)周(zhou)向(xiang)性能(neng)(neng)的(de)评(ping)价(jia)有效且可(ke)靠。


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