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　　近年来，随着国家对低碳经济的大力支持，树脂基复合材料由于具有耐腐蚀，轻质高强，可设计性等优点使得其研究与应用变得越来越重要。目前，复 合材料作为金属材料的替代材料被应用在各种结构件上。在交通运输领域中复 合材料传动轴由于具有很高的比强度，极佳的绝热性等特点越来越受到人们的 重视。因此，对玻璃纤维增强树脂基复合材料扭转性能的研究有着极为重要的 意义。 本文采用中温固化环氧树脂体系，用湿法缠绕工艺制备了几种不同缠绕角 度与不同厚度的复合材料缠绕管，通过对试样的树脂含量、最大扭矩等性能的 测试，研究了缠绕角、厚度等因素对复合材料缠绕管扭转性能的影响，并采用 最大应力准则和蔡．吴（Ｔｓａｉ．Ｗｕ）张量准则，运用有限元软件分别对破坏试样进 行分析，找到两种破坏准则下的失效指数，然后根据计算结果对混合层缠绕试 样进行破坏扭矩预测，并同实际扭矩对比，寻找预测复合材料缠绕管破坏扭矩 的方法。 研究结果表明，随着试样缠绕角度的增加，试样的破坏扭矩和最大切应力 逐渐减小，同时试样的壁厚也随角度的增加而减小，当缠绕层数为３层时，２５０ 试样的最大扭矩和最大切应力分别比６００试样增加了１３２％和４５％。当缠绕角固 定在２５０时，３层试样的破坏扭矩和最大切应力分别是２层试样的１２８％和５８％， 因此缠绕层数越多试样的扭转性能越好。采用２５０／６００／２５０和６００／２５０／６００混合角 度缠绕的试样扭转性能与２５０缠绕式样比较接近，说明选择合适的混合缠绕角度 可以在不降低扭转性能的情况下，提高其它方向上的力学性能。另外，所有扭 转试样在破坏处均沿缠绕角方向呈压缩破坏形式且伴有分层现象。 采用蔡．吴张量准则可以较准确的预测出４５０和５５０这两种试样的破坏扭矩， 而对于２５０试样，采取定义的失效指数则不能预测出破坏扭矩，必须要通过和实 际破坏扭矩进行对比，修正破坏指数，才能使预测较为准确。对于混合层缠绕 试样，其破坏形式较为复杂，需要考虑不同角度铺层的破坏情况，其实际破坏 扭矩会介于破坏扭矩最大层和最小层之间。 关键词：复合材料；缠绕管；扭转性能；破坏扭矩 武汉理工大学硕士学位论文 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ，ａｓ ｃｏｕｎｔｒｙ’Ｓｓｔｒｏｎｇｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｌｏｗ－ｃａｒｂｏｎ ｅｃｏｎｏｍｙｏｗｉｎｇ ｔｏｔｈｅ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆｒｅｓｉｎ—ｂａｓｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎｓｅｖｅｒａｌ ｒｅｓｐｅｃｔｓ ｓｕｃｈａｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ，ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｓｉｇｎａｂｌｅｍａｄｅｔｈｅｉｒｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ， ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｕｓｅｄａｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍａｔｅｒｉａｌｓｔｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌ，扭转缠绕、＾，ｉｔｌｌｌｌｉ曲 ｓｐｅｃｉｆｉｃｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｔｈｅｒｍａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｐａｉｄｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｎ ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔａｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ａｎｎｌｙｓｉｓ ｏｆｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｖｉｔａｌｆｏｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｉｎｔｈｉｓ ｐａｐｅｒｕｓｉｎｇ ｍｏｄｅｒａｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｕｒｉｎｇｅｐｏｘｙｒｅｓｉｎ，ｔｕｂｅｓ ｗｅｒｅｍａｄｅ 、析ｔｌｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｌｙ ａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｗｅｔｆｉｌａｍｅｎｔｗｉｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓｏｆ ｖａｒｉｏｕｓｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓ ｗｉｎｄｉｎｇａｎｇｌｅｓ ａｎｄｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｎｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｅｒｅ ａｌｓｏｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｉｎｃｏｎｔｅｎｔａｎｄ ｂｕｃｋｌｉｎｇｔｏｒｑｕｅ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆｔｈｅ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｓｐｅｃｉｍｅｎｂｙ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅ、＾，ｉｔｌｌｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｃｒｉｔｅｒｉｏｎａｎｄ Ｔｓａｉ—Ｗｕ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ．Ｆｉｎｄｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅｉｎｄｅｘａｔ ｔｗｏｆａｉｌｕｒｅｃｒｉｔｅｒｉｏｎａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅ ｂｕｃｋｌｉｎｇｔｏｒｑｕｅ ｓａｍｐｌｅｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｉｎｄｅｘ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｎｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｍｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｂｕｃｋｌｉｎｇｔｏｒｑｕｅ ｔｏｌｏｏｋｆｏｒａｍｅｔｈｏｄｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄ ｐｒｅｄｉｃｔ ｗｉｎｄｉｎｇｔｕｂｅｓ． Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓｔｈａｔ、析ｔｈｔｈｅ ｗｉｎｄｉｎｇａｎｇｌｅ ｏｆｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．ｔｈｅ ｂｕｃｋｌｉｎｇｔｏｒｑｕｅ ａｎｄｍａｘｉｍｕｍｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ａｌｓｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ晰ｔｌｌｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅ ａｎｇｌｅ．ｗｈｅｎ ｗａｓ３ｌａｙｅｒｓ，ｔｈｅ ｂｕｃｋｌｉｎｇｔｏｒｑｕｅ ａｎｄｍａｘｉｍｕｍｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓｏｆ２５ ｓｐｅｃｉｍｅｎＷａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ１３２％ａｎｄ ４５％ｔｈａｎｔｈｅ６００．Ｗｈｅｎｔｈｅ ｗｉｎｄｉｎｇａｎｇｌｅｓ ｆｉｘｅｄａｔ ２５０ｔｈｅｂｕｃｋｌｉｎｇｔｏｒｑｕｅ ｍａｘｉｍｕｍｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ５８％ａｎｄ １２８％ｔｈａｎ２ ｌａｙｅｒｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｌａｙｅｒｓ，ｔｈｅ ｂｅｔｔｅｒｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｓｐｅｃｉｍｅｎ、ｉｔｌｌｗｉｎｄｉｎｇａｎｇｌｅｓ２５０／６００／２５０ａｎｄ６００／２５０／６００Ｗａｓｃｌｏｓｅｔｏｔｈｅ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｏｆ２５ ＩｐＳＯｗｅｃａｎｅｎｈａｎｃｅｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｏｔｈｅｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｂｙｓｅｌｅｃｔｉｎｇａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｆｌｅｘｅｄ ａｎｇｌｅｓ ａｎｄｄｏｎｏｔｃｕｔｄｏｗｎ ｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｓａｍｅｔｉｍｅ．ＩｎｌＩ 武汉理工大学硕士学位论文 ａｄｄｉｔｉｏｎ，ａｌｌｔｕｂｅｓｓｈｏｗｅｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｆａｉｌｕｒｅａｔ ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ｗｉｎｇｄｉｎｇａｎｇｌｅ ａｃｃｏｍｐａｎｉｅｄｗｉｔｈｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ． Ｉｔｃａｎｂｅｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｂｕｃｋｌｉｎｇｔｏｒｑｕｅｏｆ４５０ａｎｄ５５０ ｓｐｅｃｉｍｅｎ Ｔｓａｉ—Ｗｕｃｒｉｔｅｒｉｏｎ，ｂｕｔｃａｎ’ｔｐｒｅｄｉｃｔ ｂｕｃｋｌｉｎｇｔｏｒｑｕｅｏｆ２５０ ｄｅｆｉｎｅｄｆａｉｌｕｒｅｉｎｄｅｘ．Ｉｎｒｏｄｅｒｔｏｍａｋｅｉｔｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅ．ｗｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈａｃｔｕａｌ ｂｕｃｋｌｉｎｇｔｏｒｑｕｅ ｃｏｒｒｅｃｔｆａｉｌｕｒｅｉｎｄｅｘ．Ｆｏｒｔｈｅｍｉｘｅｄ ｌａｙｅｒ ｓｐｅｃｉｍｅｎｓ，ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｉｓ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｉｔ ｎｅｅｄｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅ ｂｕｃｋｌｉｎｇ ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｌｙ，ｔｈｅ ａｃｔｕａｌｖａｌｕｏｆ ｂｕｃｋｌｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍ ｔｏｒｑｕｅｌａｙｅｒ ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ ｔｏｒｑｕｅｌａｙｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｆｉｌａｍｅｎｔｗｉｎｄｉｎｇｔｕｂｅｓ；ｔｏｒｓｉｏｎａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ； ｂｕｃｋｌｉｎｇｔｏｒｑｕｅ ＩＩＩ 武汉理工大学硕士学位论文 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类进步的里程碑，是多数发明创造的先导，材料的更新与进步促进了人类社会的发展【ｌ韧。伴随着人类科技 的发展，对材料的要求越来越高，单一材料已经越来越不能满足人们的需求， 因此上世纪４０年代美国空军率先将复合材料应用于飞机油箱和雷达罩，为以纤 维增强聚酯（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ，简称ＦＩ强）为代表的复合材料在军事工业 中的应用开辟了道路。美国自１９９１年起已经将复合材料列为国家２２项关键技术 专一【３．７】 玻璃纤维增强树脂基复合材料具有比强度、比模量大，耐疲劳性能好，绝热性能优良，破损安全性高等优点。随着各种增强材料，树脂基体以及复合材 料成型工艺的发展，复合材料已经从初期的航空航天等高端领域逐步转向交通 运输，建筑业，化工防腐，体育等民用领域，成为一种新的工程材料【＿７－９１。 上世纪六十年代，片状模塑料（ＳｈｅｅｔＭｏｕｌｄｉｎｇＣｏｍｐｏｕｎｄ，简称ＳＭＣ）在法 国问世利用这种技术可以制出大幅面表面光洁，尺寸、形状稳定的复合材料制 品，使得复合材料开始大规模进入汽车等运输领域【ｌ州。近年来，随着国家对低 碳经济的大力支持，树脂基复合材料由于具有耐腐蚀，轻质高强，可设计性等 优点使得其研究与应用变得越来越重要。目前，复合材料作为金属材料的替代 材料，正越来越多的应用在各种结构件上，在交通运输领域中复合材料传动轴 由于具有很高的比强度，极佳的绝热性等特点正越来越受到人们的重视。 当前，国外研究的复合材料传动轴主要采用两种工艺制备，一种是采用编 织一真空辅助成型工艺，该法的优点是能够最大限度的消除传统复合材料容易 分层的缺陷同时最大限度的消除气泡，提高材料的稳定性。但是由于其工艺复 杂，成本高昂，所以只能适用于航空航天等极少数领域。另外一种制备工艺是 采用湿法缠绕，该成型工艺比较成熟，对设备要求不高，既保证了结构设计要 求又具有模具简单，自动化程度高等优点，因而采用该成型工艺制得的缠绕管 既能保证一定的力学性能，又能有效降低成本。 武汉理工大学硕士学位论文 １．１复合材料的构造及其特点 对于复合材料而言，其实是结构与材料的统一。从固体力学的角度来分析， 同样把复合材料分为３个结构层次，我们分别称它们为一次结构、二次结构和三 次结构。如图１．１（ａ）的纤维缠绕压力容器，可以称为三次结构，也就是制品结 构（或工程构件）。图１．１（ｂ）所示为从容器壁上取下的结构微元，称为二次结 构，它是由若干具有不同纤维铺层角度的单层板铺放而成的层合板，层合板是 结构的基本单元，图１．１（ｂ）所示为层合板的一个个铺层，称为一次结构，又称 复合材料单层，因此，单层是复合材料的基本单元。按单元所含纤维方向，可 将单层分为单向单层与双向单层。如果单层的所有纤维都指向同一方向，称为 单向单层，又称无纬单层，简称单向板；如果为纤维编织的单层，则称为双向 板。应当说明双向板可以简化为基体含量相同而厚度按经纬向纤维量来分配的 两个互相垂直的单向单层的层合板，因此，单向单层更具有一般性【ｌ卜１２ｊ。 图１．１复合材料的结构层次 单层的力学性能取决于各组分材料（包括界面）的力学性能、各组分的含 量以及各相之间的几何关系。层合板的力学性能取决于各单层的力学性能、各 单层的纤维取向、铺设顺序及各定向单层相对于总层数的百分比。制品结构（或 工程构件）的力学性能取决于层合板的力学性能、结构的几何形状尺寸等。 与上述３个结构层次的概念相对应，也可以将复合材料设计分为３个层次， 即单层材料设计、层合板设计和结构设计。单层材料设计包括选用合适的增强 材料和基体，确定它们的体积含量。层合板设计就是根据单层的性能确定层合 板中单层的方向角、各单层的铺放顺序以及各单层的数量，层合板设计又被称 为铺层设计。结构设计则是根据层合板的力学性能来分析结构件的力学特性， 武汉理工大学硕士学位论文并最终确定制品结构的形状和尺寸。实际工程中，绝大多数复合材料及其结构 件是一次完成的，也就是说，人为划分的三个结构层次的结构其实是在同一工 艺流程中完成的。因此，这３个设计层次互为前提、互相影响，设计人员必须把 材料性能和结构性能一起考虑，材料设计和结构设计必须同时进行陋１４１。