树脂基复合材料泡沫夹芯管承压破坏机理研究

As a kind of sandwich structure, resin matrix composite foam sandwich tube improved the stability of the tube, and be beneficial to exert the strength of the material compared with the single-layer composite tube. So it can be used for the compression bearing component of light-weight, high-strength and corrosion resistant performance in civil engineering. Based on this new confined sandwich structure, compression failure mechanism of the foam sandwich tube has been systematic researched through experiments, numerical simulations and theoretical analysis. The following studies and corresponding methodologies are included: (1) the fabricating technology of foam sandwich tube, ensuring the efficient preparation components that of stable mechanical properties and quality. (2) the failure mechanism of each foam sandwich tube under axial compression (include layer combination, the thickness of layer, the density of foam core, inside and outside diameters and boundary conditions or not and law about the parameter influence on the failure modes and ultimate bearing capacity, get the failure criterion of foam sandwich tube under different failure modes. (3)Based on the presumption and theoretical analysis, put forward the mathematical model of the ultimate compressive bearing capacity of foam sandwich tube. This project is the basic research of the new structure of the composite and has active significance for a comprehensive understanding of this new structure’s mechanical properties and promoting its application in civil engineering.

树脂基复合材料泡沫夹芯管作为一种夹芯结构，与单层的复合材料管相比，提高了管材的稳定性，有利于发挥材料的强度，可作为轻质、高强、耐腐的承压构件在土木工程中应用。本项目针对该新型承压夹芯结构，采用试验、数值模拟和理论分析的方法对泡沫夹芯管承压破坏机理进行系统研究。主要包括：泡沫夹芯管的制备工艺研究，以高效制备出力学性能及质量稳定的构件；通过试验与数值模拟，揭示轴压下各组泡沫夹芯管（不同复合材料铺层组合方式、面层厚度、芯层密度、内外径尺寸及是否施加端部横向约束）破坏机理及各参数对构件破坏模式和极限承载力的影响规律，得到泡沫夹芯管不同破坏模式下的破坏准则；推导泡沫夹芯管抗压极限承载力的理论计算模型，建立设计计算方法。本项目属于复合材料新型结构的基础性研究，对全面了解该结构力学性能促进其在土木工程中的应用具有积极意义。

项目提出利用轻质泡沫材料作为芯层制备复材泡沫夹芯管，以解决薄壁复材管的局部屈曲问题，更好的发挥复材轻质高强的力学性能，以期作为应急支护、应急支撑结构应用。. 项目针对开展了复材层合管-单蒙皮复材泡沫管-复材泡沫夹芯管相关内容的体系研究，主要包括：（1）按照泡沫夹芯提前制备成型，复材预浸料铺设内外蒙皮并一体成型的方法，研制了泡沫芯层预制蒙皮预浸料铺层共固化成型工艺，研究了界面处理、径向压力等参数对泡沫夹芯管制备质量的影响；（2）提出了一种以0°铺层为主，其他角度铺层外侧包裹的复材层合管构型，研究了5种短管纤维压断的破坏模式和3种薄壁管局部屈曲的失效模式，对比分析了铺层对破坏模式和承载力的影响，分别建立了首层破坏承载力计算模型和局部屈曲临界荷载计算模型。（3）提出了一种单蒙皮复材泡沫管，通过开展轴向压缩试验和数值模拟，得到了其典型破坏模式，与层合管相比分析了其改变失效模式和提高承载力的机理，基于弹性基础理论建立了局部屈曲临界荷载计算模型；（4）开展了5类14种不同设计参数复材泡沫夹芯管的轴向压缩实验，研究了其轴压受力性能，分析了端部约束、内外蒙皮铺层方式、泡沫密度等参数对泡沫夹芯管破坏模式和承载力的影响，基于能量法建立了其局部屈曲临界荷载计算模型。. 通过以上研究，取得的主要成果包括（1）研制了泡沫夹芯管制备的泡沫芯层预制蒙皮预浸料铺层共固化成型工艺；（2）建立了任意铺层形式复材层合管轴压作用下首层破坏承载力计算模型和局部屈曲临界荷载计算模型；（3）建立了单蒙皮复材泡沫管和泡沫夹芯管轴压作用下的局部屈曲临界荷载计算模型。. 依托该项目，共发表学术论文14篇，其中SCI收录论文7篇、EI收录论文5篇；授权发明专利1项、实用新型专利1项，提交发明专利申请2项、实用新型专利申请1项；培养硕士研究生4名，博士研究生1名。