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第卷第期材料科学进展
【年月
承压管的临界载荷及碳纤维缠绕后的增强作用
郑宗光浦桂李世红巴力学周本濂
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【中国科学院金属研究所
程国生
沈阻建巍工程学院彳· /
摘要金属管外壁用碳纤维缠绕复合后. 其承受横向与轴向压载荷的能力均茯得了明显的提高尤井
是细长管缠绕碳纤维后,对轴向压载荷的抗弯曲变形及抗压极限承载能力都有太幅度的提高奉文彳绍
了硬】台盘一音金圆管在外壁缠绕复合碳纤维前启承受压载能力的实验数据的对比,以及对未
。
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引言
在工程结构中,经常需要轻质的圆管用作承压构件,当承受轴向或径向压载时能安垒可靠
地工作。即要求在构件重量一定条件下具有最大承压力;或是在承压力一定时具有最轻的自重
效果。实验表明,当圆管受到横向或轴向压载作用下,在开始变形阶段,其横截面的周长总是
逐渐增加即受横向压力的圆管,随横截面被压成扁圆的过程,其周长逐渐增加。承受轴向压
力的圆管, 无论产生弹塑性变形, 或因失稳而造成折皱和弯曲, 其周长也随应力的增加而增
加。为了提高圆管的横向及轴向承载能力予以某种方法约束圆管外壁周长的扩展,防止圆管表
面局部失稳; 或以某种方法约束圆管的轴向弯曲变形, 防止整体失稳的发生,都可以提高圆管
结构的抗压强度、刚度和稳定性的作用本文介绍用高强碳纤维对圆管的外壁进利缠绕复合,
可以达到约束管截面周长的扩展及轴向弯曲变形,提高管材承载能力的目的
圆管承受压力时的稳定性分折
. 圆管承受径向外压力时的稳定性分析
理论研究表明“:可以用相距为一单位长的两个截面从圆管中截取一段圆环进行研究。
如图所示此圆环截面对中性面的惯性矩×/其中为圆管壁厚
当径向外压力,达到某临界值,时,圆管截面在其圆周平面内发生由圆变成扁圆并丧失
稳定平衡,管开始发生微小弯曲变形后重新达到非稳定平衡假设失稳时切出圆管微段前后截
面仍保持为平面, 则圆环弯曲微分方程式⋯
国家自然科学基盒资助项目, ; :日收刊初稿: 年月日收到修改稿
车文联系: , 沈阳市、中国科学院金属研究所
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材料科学进展:
口
式巾日是圆环沿环半径方向的位移变形量它是的函数, 是圆管材料的弹性模量
, ×/ 是垂直于管轴用相距为单位长厘米的两截面之问的圆环的截面对该截面
中性轴的惯性矩是圆管的平均半径, 即/ , 与是管的外径和内径。
是圆环内截面上的弯矩, 是的函数。
计算表明‘”, 当圆管承受均布径向外压时的临界应力
一
式表明, 圆管在均布径向外压下的临
盘界应力仅取决于管材的弹性模量,
松比,管厚度及管的平均半径。
例如: 一合台管,
.,外径,
长/, 均匀分布的径向外力的临界值
按理论公式计算。
径向压载的圆管对—台金圆管沿径向作对称线
载荷压力试验每单位长度载倚
. /,在圆环上力作用点戎处
最大弯曲应力的计算值仅是, 发生了屈曲而失稳破坏, 实测圆管沿径向变形量为
但按载/ 的理论计算其与二点相对位移变形量仅为.。说明圆
管破坏是在压力的