单向CFRP细长压杆临界力研究
边文凤1,邵维一1,王宝铭2
（1.哈尔滨工业大学（威海）土木工程系,威海 264209,山东;
2. 威海光威复合材料股份有限公司,威海 264209,山东）
创新点说明：
1）材料的制作运用两步法压力成型,对此种成型工艺制作的CFRP材料研究较少。
2）压杆临界力实验采用的实验装置比较精确,同时两端夹具是自己设计的,减少了很多实验误差,实验结果较为准确。
3）通过分析实验结果提出修正的柏利公式有一定的适用性。
研究目的：
纤维增强复合材料（简称FRP）具有轻质高强耐腐蚀等特性,适用于腐蚀环境与大跨度结构,针对大跨度空间结构中的杆件,本文以碳纤维增强复合材料（简称CFRP）的细长杆件为研究对象,研究其稳定性。目前对于FRP材料压杆临界力的研究集中于GFRP的研究,对于CFRP材料研究较少,同时对于两步法压力成型CFRP鲜有研究。鉴于此,在国内外研究成果基础上对两步法压力成型CFRP压杆临界力进行研究,提出一个适合此类材料的经验公式。
研究方法：
1）CFRP材料力学性能实验。本试验材料由威海光威复合材料有限公司提供,选用T300碳纤维丝与环氧树脂基体,树脂的质量含量为33%拉伸试验在WDW-100电子万能试验机上进行,通过引伸计来测得应变。试验加载分预加载和正式加载,根据GB/T1447-2005的相关规定进行。
2）CFRP材料压杆临界力实验。用于压杆临界力测试材料与拉伸试验材料为同一种材料,制作矩形试件两组,其截面尺寸分别为20 mm×2 mm和20 mm×1.2 mm,长度分别为364、309、254、199、144 mm。试验加载采用XL3410S型多功能压杆稳定实验装置。
研究结果：
1）通过材料力学性能实验得出CFRP材料应力应变呈明显的线弹性,同时材料破坏突然发生,属于脆性破坏。实际测得CFRP材料弹性模量为131.1 GPa,比例极限为1 700 MPa。
2）压杆临界力实验出现两种曲线,一种是压杆稳定实验中较为理想状态会产生的曲线,荷载先升到很高,而后回落趋近Pcr,但另一种是实际实验中的压杆由于不可避免的存在初曲率、材料不均匀,荷载偏心等因素的影响,从而在荷载小于Pcr时,压杆也会发生微小的弯曲变形,当接近Pcr时,弯曲变形会突然增大而丧失稳定。
3）经典的欧拉公式及考虑剪切变形影响修正后的欧拉公式的预测值与试验值的平均误差并不算太大,在10%左右;
4）比较实验结果发现,部分杆件压杆临界力的试验值高于两个欧拉公式的预测值,而另一部分杆件压杆临界力的实际值却低于两个欧拉公式的预测值,这对于设计是不利的。
5）考虑剪切变形的欧拉公式虽然提高了预测精度,但十分有限,约提高了1%。
6）最终提出修正的柏利公式与试验结果比较接近,同时预测结果比试验结果偏低,有利于实际生产设计使用。此公式适用于单向细长矩形FRP杆材。
结论：
1）在拉伸试验中CFRP杆件呈现明显的线弹性,且破坏突然发生,属于脆性破坏。
2）通过对不同长细比的杆件进行轴心受压试验,得到临界应力值与欧拉公式结果比较接近,但是不稳定,无法判断预测值大于或小于实际值,考虑剪切变形的欧拉公式提高了预测精度,但是影响不大。
3）通过对比分析得出的修正的柏利公式可用于实际生产设计,适用于单向细长矩形FRP杆材。应用该公式既保证了精度,同时计算结果低于试验值,有利于安全设计。
关键词：单向CFRP;细长压杆;临界力;稳定系数;修正的柏利公式
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