纤维增强复合管道拉伸损伤演化机理的多尺度研究

《Polymer Composites》：Study on the Damage Evolution Mechanism of Fiber-Reinforced Composite Pipe Under Tensile Load

本研究针对纤维增强复合管道力学行为与失效机制不清的问题，通过自主研制耐紫外/低温芳纶/尼龙12复合管道，结合全尺寸拉伸试验与多尺度建模，揭示了管道在拉伸载荷下的宏微观损伤机制。结果表明，轴向增强层应力(S33=597 MPa)约为环向层(S33=110 MPa)的5.4倍，纤维断裂与界面脱粘是主要失效模式，为高性能复合管道设计提供重要理论依据。

　　

摘要

纤维增强复合管道因其高比强度、高比模量以及耐腐蚀等优异特性而备受关注，正逐步成为传统金属管道的替代品。然而，由于材料属性的非均质性和各向异性，其力学行为与失效机制仍未得到充分理解。本文通过自主研制耐紫外线和耐低温的芳纶/尼龙12 (Aramid/Nylon 12) 复合管道，结合全尺寸拉伸试验与多尺度建模方法，分别建立了宏观和细观尺度的三维各向异性弹塑性力学模型。研究从宏观和微观两个层面深入探讨了复合管道在拉伸载荷下的力学响应与损伤演化机理。三次全尺寸管道拉伸试验（测得最大极限拉伸载荷为192.177 kN，最大断裂伸长率为5.22%）结果与有限元分析高度吻合。基于此模型，进一步开展了拉伸载荷下复合管道的应力分析与损伤机制研究。有限元结果表明，在达到断裂伸长率时，增强层的应力分布存在显著差异：轴向增强层所承受的轴向应力 (S₃₃ = 597 MPa) 约为环向增强层 (S₃₃ = 110 MPa) 的5.4倍。此外，内外衬层对管道拉伸承载能力的贡献相对较小，其轴向应力约为30 MPa。纤维断裂和纤维/基体界面脱粘是影响复合管道性能的主要失效模式。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。