[发明专利]一种具有大弯曲变形的复合材料管的设计及制备方法

权利要求书

1.一种具有大弯曲变形的复合材料管的设计及制备方法，包括以下步骤：

1)根据实际工况确定复合材料管的铺层方式；

2)根据强度要求，确定各铺层角度对应的层数；具体如下：

2.1)取复合材料轴向许用拉伸强度和许用压缩强度之间的较小值，计算壁厚t,其中t满足：

Mmax≤14πtD2[σ]---(1)]]>

M_max为结构所受最大弯矩，D为管材平均直径，[σ]为轴向许用拉伸强度和许用压缩强度之间的较小值；

2.2)确定轴向许用拉伸或压缩强度；轴向许用拉伸或压缩强度[σ₁]为各个单层轴向拉伸或压缩强度的线性迭加，并引入各铺层的共同工作折减系数c；

[σ1]=c×Σi=1nσxi/n---(2)]]>

其中，σ_xi为单层轴向拉伸或压缩强度，n为总层数；

2.3)初步确定各层层数n₁,n₂,…n_i，总层数n＝n₁+n₂+…n_i；由单层厚度和总层数可计算壁厚t；

2.4)确定单层轴向拉伸或压缩强度；σ_xi计算方法如下：

σ_xi＝σ_1i cos²θ_i (3)

其中，σ_1i为第i层沿纤维方向的拉伸或压缩强度，θ_i为第i层铺层角度；

2.5)取轴向许用拉伸或压缩强度[σ₁]中的较小值作为[σ]；

2.6)若步骤2.3)中的计算结果壁厚t使式(1)成立，则记录此时的铺层角度及各层层数；若式(1)不成立，则重新确定各层层数及铺层角度，直至式(1)成立；

3)校核强度要求所确定的壁厚t是否同时满足稳定性要求；

具体如下：

3.1)根据稳定性要求可知壁厚t满足：

Mmax≤29πDt2ExEy1-vxyvyx---(4)]]>

其中，ν_xy、ν_yx为泊松比，计算方法如下：

vxy=Σi=1nvxyi/n;ExEy=vxyvyx---(5)]]>

其中，ν_xyi为第i层主泊松比；

3.2)确定轴向及环向模量E_x、E_y，计算方法如下：

Ex=c×Σi=1nExi/n;Ey=c×Σi=1nEyi/n---(6)]]>

E_xi、E_yi分别为第i层的轴向及环向弹性模量；

其中，E_xi、E_yi的计算方法如下：

1Exi=cos4θiE1i+(1G12i-2μ12iE1i)sin2θicos2θi+sin4θiE2i---(7)]]> 1

1Eyi=sin4θiE1i+(1G12i-2μ12iE1i)sin2θicos2θi+cos4θiE2i---(8)]]>

E_1i为第i层沿纤维方向的弹性模量、E_2i为第i层垂直纤维方向的弹性模量，G_12i为第i层的剪切模量；

3.3)确定第i层主泊松比；ν_xyi的计算方法如下：

vxyi=Exi[v12iE1i(sin4θi+cos4θi)-(1E1i+1E2i-1G12i)sin2θicos2θi]---(9)]]>

其中，G_12i为第i层的剪切模量，ν_12i为第i层的泊松比；

3.4)校核计算式(4)是否成立；若成立，则认定此铺层角度及所对应的层数同时满足强度要求及稳定性要求，为合理铺层方式；若不成立，重新确定各层层数n₁,n₂,…n_i，直至式(1)和式(4)均成立；

4)选取具有大极限应变的树脂基体和增强纤维，采用缠绕成型或拉绕成型进行制备。