分析多层复合管在弯曲损伤下的力学性能

《Polymer Composites》：Analyzing Bending Damage Mechanical Properties of Multi-Layered Wound Composite Pipes

基于非线性圆柱壳理论构建三维力学模型，分析多层复合材料管弯曲特性，考虑材料非线性与刚度退化，实验与模拟验证应力分布规律及失效模式随缠绕角度变化规律，为优化设计提供依据。

　　

摘要

准确分析弯曲性能对于理解多层复合管的损伤行为至关重要。目前，主要使用基于Lekhnitskii应力函数或包含未知数的复杂表达式的二维（2D）理论模型来分析复合管的弯曲特性。这些方法无法准确预测复合管在弯曲条件下的各层应力分布和初始损伤。根据非线性圆柱壳理论，本研究对每层的椭圆变形进行了参数化处理，并在考虑材料非线性和刚度退化模型的基础上建立了管道的本构方程。通过应用虚功原理和失效准则，开发了一个三维力学分析模型来评估管道的弯曲性能。通过四点弯曲试验和数值模拟验证了该理论模型。在此基础上，分析了管道在弯曲条件下的应力分布、刚度退化机制以及损伤失效特性。研究结果表明，轴向应力、径向应力和剪切应力主要受弯曲变形控制，而环向应力则主要受椭圆截面变形的影响。最外层增强层的初始失效模式主要是基体拉伸失效；当缠绕角度小于或等于45°时，首先发生纤维/基体剪切失效；当缠绕角度超过45°时，基体拉伸失效成为主要失效模式。本研究增进了对多层缠绕复合管在弯曲条件下行为的理解，并为提高海上应用中的设计和可靠性提供了有益的见解。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。