一种具有大弯曲变形的复合材料管的设计及制备方法

摘要

本发明公开了一种具有大弯曲变形的复合材料管的设计及制备方法，该方法包括以下步骤：1）根据实际工况确定复合材料管的铺层方式；2）根据强度要求，确定各铺层角度对应的层数；3）校核强度要求所确定的壁厚t是否同时满足稳定性要求；4）若满足稳定性要求，则确认铺层角度及层数合理；反之，重新确定各铺层角度对应的层数；5）选取具有大极限应变的树脂基体和增强纤维，采用缠绕成型或拉绕成型进行制备。本发明方法提供了一种弯曲性能优异的复合材料管的设计及制备方法，以满足在使用时发生大弯曲变形的要求。并且，该复合材料管的制备方法简单，易于实施。

主权项

一种具有大弯曲变形的复合材料管的设计及制备方法，包括以下步骤：1)根据实际工况确定复合材料管的铺层方式；2)根据强度要求，确定各铺层角度对应的层数；具体如下：2.1)取复合材料轴向许用拉伸强度和许用压缩强度之间的较小值，计算壁厚t,其中t满足：$M_{max}\le \frac{1}{4}{\mathrm{\pi tD}}^2\left[\sigma \right]---\left(1\right)$M_max为结构所受最大弯矩，D为管材平均直径，[σ]为轴向许用拉伸强度和许用压缩强度之间的较小值；2.2)确定轴向许用拉伸/压缩强度；轴向许用拉伸/压缩强度[σ₁]为各个单层轴向强度的线性迭加，并引入各铺层的共同工作折减系数c；$\left[{\sigma }_1\right]=c\times \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\sigma }_{xi}/n---\left(2\right)$其中，σ_xi为单层轴向拉伸/压缩强度，n为总层数；2.3)初步确定各层层数n₁,n₂,…n_i，总层数n＝n₁+n₂+…n_i；由单层厚度和总层数可计算壁厚t；2.4)确定单层轴向拉伸/压缩强度；σ_xi计算方法如下：σ_xi＝σ_1icos²θ_i       (3)其中，σ_1i为第i层沿纤维方向的拉伸或压缩强度，θ_i为第i层铺层角度；2.5)取轴向许用拉伸/压缩强度[σ₁]中的较小值作为[σ]；2.6)若步骤2.3)中的计算结果壁厚t使式(1)成立，则记录此时的铺层角度及各层层数；若式(1)不成立，则重新确定各层层数及铺层角度，直至式(1)成立；3)校核强度要求所确定的壁厚t是否同时满足稳定性要求；具体如下：3.1)根据稳定性要求可知壁厚t满足：$M_{max}\le \frac{\sqrt{2}}{9}{\mathrm{\pi Dt}}^2\sqrt{\frac{E_x{E}_y}{1-{\nu }_{xy}{\nu }_{yx}}}---\left(4\right)$其中，ν_xy、ν_yx为泊松比，计算方法如下：${\nu }_{xy}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\nu }_{xyi}/n;\frac{E_x}{E_y}=\frac{{\nu }_{xy}}{{\nu }_{yx}}---\left(5\right)$其中，ν_xyi为第i层主泊松比；3.2)确定轴向及环向模量E_x、E_y，计算方法如下：$E_x=c\times \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{E}_{xi}/n;E_y=c\times \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{E}_{yi}/n---\left(6\right)$E_xi、E_yi分别为第i层的轴向及环向弹性模量；其中，E_xi、E_yi的计算方法如下：$\frac{1}{E_{xi}}=\frac{{\cos }^4{\theta }_i}{E_{1i}}+(\frac{1}{G_{12i}}-\frac{2{\mu }_{12i}}{E_{1i}}){\sin }^2{\theta }_i{\cos }^2{\theta }_i+\frac{{\sin }^4{\theta }_i}{E_{2i}}---\left(7\right)$$\frac{1}{E_{yi}}=\frac{{\sin }^4{\theta }_i}{E_{1i}}+(\frac{1}{G_{12i}}-\frac{2{\mu }_{12i}}{E_{1i}}){\sin }^2{\theta }_i{\cos }^2{\theta }_i+\frac{{\cos }^4{\theta }_i}{E_{2i}}---\left(8\right)$E_1i为第i层沿纤维方向的弹性模量、E_2i为第i层垂直纤维方向的弹性模量，G_12i为第i层的剪切模量；3.3)确定第i层主泊松比；ν_xyi的计算方法如下：${\nu }_{xyi}=E_{xi}[\frac{{\nu }_{12i}}{E_{1i}}({\sin }^4{\theta }_i+{\cos }^4{\theta }_i)-(\frac{1}{E_{1i}}+\frac{1}{E_{2i}}-\frac{1}{G_{12x}}){\sin }^2{\theta }_i{\cos }^2{\theta }_i]---\left(9\right)$其中，G_12i为第i层的剪切模量，ν_12i为第i层的泊松比；3.4)校核计算式(4)是否成立。若成立，则认定此铺层角度及所对应的层数同时满足强度要求及稳定性要求，为合理铺层方式；若不成立，重新确定各层层数n₁,n₂,…n_i，直至式(1)和式(4)均成立；4)选取具有大极限应变的树脂基体和增强纤维，采用缠绕成型或拉绕成型进行制备。