張　征，　潘　豪，　葉鋼飛，　李　琛，2，　吳化平，　柴國(guó)鐘

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310032； 2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018)

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溫度對(duì)T700/3234反對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)圓柱殼結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)特性影響

張征1，潘豪1，葉鋼飛1，李琛1，2，吳化平1，柴國(guó)鐘1

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 杭州 310032； 2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018)

討論溫度對(duì)T700/3234反對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)圓柱殼結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)特性的影響。通過(guò)熱壓固化成型工藝制備了三種不同鋪層層數(shù)的試樣，采用兩點(diǎn)加載的方式，使用在現(xiàn)有的拉伸試驗(yàn)機(jī)上改裝的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)驅(qū)動(dòng)反對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)圓柱殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，持續(xù)捕捉實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，得到在20℃，40℃，60℃和80℃溫度下的載荷—位移曲線(xiàn)的變化規(guī)律及穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷。實(shí)驗(yàn)后，通過(guò)圖像處理技術(shù)得到曲率和扭曲率等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)分析穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷和穩(wěn)態(tài)曲率變化情況，并對(duì)存放時(shí)間對(duì)殼結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了討論。結(jié)果表明，溫度對(duì)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變影響較大，給出了溫度對(duì)snap-through和snap-back過(guò)程的影響規(guī)律。

碳纖維復(fù)合材料；反對(duì)稱(chēng)層合殼；雙穩(wěn)態(tài)特性；溫度場(chǎng)

具有反對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)(鋪層方式如：[+α/-α/+α/-α]等)的碳纖維復(fù)合圓柱殼結(jié)構(gòu)有兩種穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)[1]，即在一個(gè)穩(wěn)定的圓柱殼結(jié)構(gòu)上，外界對(duì)其施加一定的外在驅(qū)動(dòng)力(例如機(jī)械載荷)，可以使其轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，并且這種結(jié)構(gòu)不需要外力維持。這種具有雙穩(wěn)態(tài)特性的結(jié)構(gòu)在可變形結(jié)構(gòu)上(如可變形機(jī)翼、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等)有較大的應(yīng)用前景。碳纖維結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中受周?chē)h(huán)境(如溫度、濕度等)影響較大[2-3]，因此本研究采用不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，模擬不同試件在不同溫度下的力學(xué)行為變化，對(duì)揭示在溫度場(chǎng)影響下的雙穩(wěn)態(tài)殼結(jié)構(gòu)變形特性具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始關(guān)注雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合圓柱殼結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)性能[4-6]，此種結(jié)構(gòu)具有兩種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)，具有承載能力高、空間利用率好以及結(jié)構(gòu)輕便等優(yōu)點(diǎn)。反對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合圓柱殼作為其中的一種結(jié)構(gòu)，很多學(xué)者研究其形變狀況、實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)方式以及在結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用[7,8]。Zhang等[9,10]對(duì)反對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)的圓柱殼結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了理論推導(dǎo)、有限元模擬以及實(shí)驗(yàn)，得到了圓柱殼不同幾何尺寸以及鋪層方式對(duì)雙穩(wěn)態(tài)性能的影響情況。雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合圓柱殼結(jié)構(gòu)多由碳纖維復(fù)合材料制備而成，溫度、濕度等因素對(duì)碳纖維復(fù)合材料性能具有重要的影響。Tsai等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究非對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在潮濕環(huán)境中敏感性的影響，得到了吸濕比重、高度、曲率半徑等因素與時(shí)間的變化關(guān)系。Youssef等[12]通過(guò)模擬航空航天環(huán)境，研究了濕度、溫度及濕熱耦合作用下碳纖維復(fù)合材料的疲勞損傷問(wèn)題。Moore等[13,14]利用數(shù)值模擬方法，得到非對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合板在高溫固化過(guò)程中，層合板各點(diǎn)位移隨溫度變化之間的關(guān)系，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)，獲取了非對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合板由高溫冷卻至室溫時(shí)不同溫度下的形狀。Eckstein等[15]利用ABAQUS有限元軟件，考慮了材料參數(shù)隨溫度變化的特性，模擬了非對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)層合板高溫固化過(guò)程中溫度與曲率之間的關(guān)系。

非對(duì)稱(chēng)正交鋪設(shè)層合板的兩種穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)曲率方向相反，而反對(duì)稱(chēng)層合圓柱殼的兩種穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)曲率方向相同。此外，反對(duì)稱(chēng)層合圓柱殼在鋪設(shè)角和整體尺寸結(jié)構(gòu)的改變上比非對(duì)稱(chēng)正交鋪設(shè)層合板具有更好的設(shè)計(jì)性。大部分學(xué)者都關(guān)注濕熱因素對(duì)正交鋪設(shè)的雙穩(wěn)態(tài)層合板高溫固化過(guò)程的影響，只有少部分學(xué)者著眼于研究溫度對(duì)反對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合圓柱殼結(jié)構(gòu)的雙穩(wěn)態(tài)性能的影響。反對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合圓柱殼結(jié)構(gòu)作為一種新型的可延展性結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜多變工況，研究溫度因素對(duì)雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響對(duì)其應(yīng)用有著重要理論意義。通過(guò)溫度影響下的雙穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)，可以獲取不同溫度影響下反對(duì)稱(chēng)復(fù)合圓柱殼的不同形變情況，并且利用機(jī)械加載的方式，得到其兩個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程所需載荷隨溫度變化而變化的情況。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究溫度對(duì)反對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合圓柱殼影響情況，可以為其在可變形結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用提供有效的預(yù)測(cè)和保證。

1　實(shí)驗(yàn)試樣和測(cè)試平臺(tái)

反對(duì)稱(chēng)層合板圓柱殼試樣采用由多個(gè)厚度為0.185 mm的碳纖維填充環(huán)氧樹(shù)脂(T700/3234)單層板按照所設(shè)計(jì)的尺寸剪裁，然后按照一定的鋪設(shè)方式在半圓柱形鋼制模具中高溫保壓固化并脫模后制得。在初始半徑和鋪層數(shù)一定的情況下，反對(duì)稱(chēng)圓柱殼的第二穩(wěn)態(tài)卷曲半徑隨著鋪設(shè)角的增大先減小而后又逐漸增加[17]。在初步設(shè)計(jì)初始截面半徑R1=25 mm的情況下，使用鋪設(shè)角為45°的反對(duì)稱(chēng)圓柱殼存在比其他鋪設(shè)角更小的第二穩(wěn)態(tài)卷曲半徑，相比其他鋪設(shè)角度更易于研究溫度對(duì)反對(duì)稱(chēng)圓柱殼的影響。設(shè)計(jì)制備的反對(duì)稱(chēng)圓柱殼結(jié)構(gòu)的如表1所示，幾何參數(shù)設(shè)定如下：反對(duì)稱(chēng)圓柱殼長(zhǎng)度L=100 mm、圓心角β=180°、初始截面半徑R1=25 mm，每層厚度t=0.185 mm,分別為4層，5層和6層的試樣。

在此，標(biāo)記4層的反對(duì)稱(chēng)圓柱殼為試樣1，5層的反對(duì)稱(chēng)圓柱殼為試樣2，6層的反對(duì)稱(chēng)圓柱殼為試樣3，具體實(shí)物照片如圖1所示。由于試樣制備的誤差會(huì)對(duì)圓柱殼初始扭曲率kxy1造成影響，測(cè)試得到試樣1,2和3的兩直邊的初始扭曲率分別為1.2757 m-1，0.5163 m-1和1.3929 m-1。

表1　反對(duì)稱(chēng)圓柱殼結(jié)構(gòu)試樣

圖1　實(shí)驗(yàn)制備的試件Fig.1　Manufactured specimens

使用含溫控箱的REGER 3010型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加載，其標(biāo)配的力傳感器量程為1 kN，誤差0.5%～1%左右，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了裝夾和加載部分的改裝。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)改裝部分主要由壓頭和夾具組成。壓頭采用半徑為5 mm，圓心角為160°的圓形壓頭。夾具是由兩個(gè)滑塊和一個(gè)夾具底座裝配而成，其中夾具底座基本尺寸為150 mm×100 mm，照片如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)總共進(jìn)行5次，前3次進(jìn)行不同鋪層層數(shù)下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)，后2次進(jìn)行試樣1和試樣2在一定時(shí)間間隔下重復(fù)的2次實(shí)驗(yàn)，以討論存放時(shí)間對(duì)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)性能的影響。具體操作流程為：將選定試樣放置在夾具上，確保壓頭正好加載在反對(duì)稱(chēng)圓柱殼的兩直邊的中點(diǎn)處，壓頭的最低點(diǎn)盡可能靠近兩直邊，但不接觸，如圖2(b)所示。運(yùn)行控制加載程序，使壓頭以一定的進(jìn)給速率進(jìn)行位移加載，使反對(duì)稱(chēng)圓柱殼進(jìn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，壓頭向下加載到一定距離時(shí)，反對(duì)稱(chēng)圓柱殼發(fā)生突變，兩直邊變?yōu)閳A弧邊，而之前的圓弧邊轉(zhuǎn)變?yōu)橹边?。此?shí)驗(yàn)過(guò)程稱(chēng)為Snap-through過(guò)程，并把此過(guò)程的逆過(guò)程稱(chēng)為Snap-back過(guò)程。圖3中試樣1,2,3的左側(cè)圖為Snap-through過(guò)程的載荷位移曲線(xiàn)，試樣1,2,3的右側(cè)圖為Snap-back過(guò)程的載荷位移曲線(xiàn)。為了觀察試樣兩直邊的扭轉(zhuǎn)情況和圓弧邊的曲率變化情況，對(duì)該試樣拍攝Snap-through和Snap-back過(guò)程的轉(zhuǎn)變前后的兩直邊和圓弧邊的照片，通過(guò)采用Matlab編程和照片處理軟件coredraw相結(jié)合的自主研發(fā)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)照片進(jìn)行處理，可以得到兩直邊的扭曲率和圓弧邊主曲率等數(shù)據(jù)。

圖2　用于雙穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試的附帶溫控箱的拉伸試驗(yàn)機(jī)　(a)經(jīng)改裝的實(shí)驗(yàn)平臺(tái);(b)溫控箱中的內(nèi)部加載情況Fig.2　Tensile testing machine with temperature control box for the bistable　(a)modified testing machine;(b)internal loading state in temperature

對(duì)于不同的溫度環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)，通過(guò)調(diào)整溫控箱的溫度，重復(fù)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程可以得到。

2　結(jié)果及分析

2.1溫度對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷的影響

考慮試件的材料特性即其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg為85℃的限制，對(duì)3種不同鋪層層數(shù)的反對(duì)稱(chēng)圓柱殼分別在20 ℃，40 ℃，60 ℃和80 ℃的溫度下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)，研究溫度場(chǎng)對(duì)兩種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程的影響。從snap-through實(shí)驗(yàn)過(guò)程觀察到，由于壓頭以5 mm/min的加載速率從上至下位移加載，先接觸圓柱殼的兩直邊，使兩直邊逐漸彎曲變形，當(dāng)達(dá)到載荷的最大值后，壓頭還一直接觸圓柱殼的兩直邊，同時(shí)壓頭繼續(xù)下移加載，圓柱殼達(dá)到一定變形后，脫離與壓頭的接觸，突然轉(zhuǎn)變達(dá)到第二穩(wěn)態(tài)，壓頭停止下移加載，其中把載荷的最大值稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷。snap-back過(guò)程以第二穩(wěn)態(tài)為初始狀態(tài)，采用同樣加載方式，使其轉(zhuǎn)變回到第一穩(wěn)態(tài)。

圖3給出了3種試樣在20 ℃，40 ℃，60 ℃和80 ℃的溫度下進(jìn)行snap-through過(guò)程反對(duì)稱(chēng)圓柱殼所受載荷隨殼直邊中點(diǎn)的位移(即壓頭向下加載時(shí)的位移)變化的關(guān)系曲線(xiàn)和20 ℃，40 ℃，60 ℃時(shí)Snap-back穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程關(guān)系曲線(xiàn)，試樣1,2的80 ℃的snap-back曲線(xiàn)由于較大的扭曲率而未獲得，同時(shí)圖4給出了三個(gè)試件穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷隨溫度變化趨勢(shì)圖。

從圖3可以看出，對(duì)于snap-through過(guò)程，在加載初期反對(duì)稱(chēng)圓柱殼所受載荷隨著位移的增大而明顯增大，在達(dá)到峰值(穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷)后又快速減小為零。對(duì)于snap-back過(guò)程，在加載初期反對(duì)稱(chēng)圓柱殼所受載荷隨著位移的增大而明顯增大，在達(dá)到峰值(即穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷)后又快速減小至一局部極小值，經(jīng)過(guò)局部緩慢增大后迅速下降為零，表明此時(shí)試件已完成穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，達(dá)到第二穩(wěn)態(tài)。由圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)：(1)在同一溫度下，對(duì)比3個(gè)不同試樣(即不同鋪層)的snap-through 過(guò)程和snap-back過(guò)程的載荷—位移曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)隨著鋪層的增加，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷有明顯的增加。(2)通過(guò)比較snap-through與snap-back過(guò)程的載荷—位移曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)，snap-through的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷明顯大于snap-back的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷。snap-back的位移載荷曲線(xiàn)在曲線(xiàn)下降時(shí)有再上升的變化過(guò)程，與snap-through的曲線(xiàn)下降過(guò)程有明顯的不同。(3)對(duì)于同一種試樣，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷在snap-through過(guò)程中隨著溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；在snap-back過(guò)程中隨著溫度的升高反而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，即低溫時(shí)從第二穩(wěn)態(tài)回復(fù)到第一穩(wěn)態(tài)比第一穩(wěn)態(tài)到第二穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變更容易。

以上分析表明，隨著鋪層層數(shù)的增加，反對(duì)稱(chēng)圓柱殼有了更大的結(jié)構(gòu)剛度，在相同的壓頭位移距離下，所需要的加載力明顯增加，層數(shù)越多的反對(duì)稱(chēng)圓柱殼也就擁有了更高的承載能力。這種隨層數(shù)增加承載能力同時(shí)增加的現(xiàn)象在不同溫度的影響下的規(guī)律保持不變。snap-back的載荷位移曲線(xiàn)與snap-through的載荷位移曲線(xiàn)有較大的不同，原因在于不同溫度下，第二穩(wěn)態(tài)時(shí)的反對(duì)稱(chēng)圓柱殼相比第一穩(wěn)態(tài)時(shí)的圓柱殼曲率半徑有了改變，并且第二穩(wěn)態(tài)時(shí)相比第一穩(wěn)態(tài)有更大扭曲率的存在。復(fù)合材料樹(shù)脂基底在高應(yīng)變狀態(tài)下由線(xiàn)彈性變?yōu)轲椥訹16]，在溫度升高后，影響更劇烈。參考造成正交對(duì)稱(chēng)雙穩(wěn)態(tài)薄板在不同溫度下所需穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷變化的影響因素[13]，每層的樹(shù)脂和纖維的力學(xué)性能受溫度的影響，同時(shí)考慮到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷在局部上不符合整體隨溫度變化趨勢(shì)(即在圖4(a)的snap-through過(guò)程中，隨著溫度的升高，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷在整體上是減小的，而試樣在80 ℃的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷比60 ℃的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷的大)，可能是因?yàn)樵摲磳?duì)稱(chēng)圓柱殼是由含不同鋪設(shè)角的單層板粘結(jié)而成，不同鋪層間的層間剪切力會(huì)在不同溫度下產(chǎn)生變化從而產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷的局部變化。此外，反對(duì)稱(chēng)圓柱殼存在的制造缺陷和實(shí)驗(yàn)的測(cè)量誤差也會(huì)對(duì)其造成影響。

圖3　不同溫度下3個(gè)試樣的載荷-位移曲線(xiàn)Fig.3　Load-displacement curves of 3 specimens under different temperatures

圖4　3個(gè)試件穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變最大臨界載荷Fig.4　Snap load of the three specimens　(a)snap-through process;(b)snap-back process

2.2溫度對(duì)穩(wěn)態(tài)曲率的影響

對(duì)于Snap-through過(guò)程和Snap-back過(guò)程，分別在20 ℃,40 ℃,60 ℃和80 ℃的溫度下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)前述數(shù)字圖像處理技術(shù)，得到第一穩(wěn)態(tài)的主曲率半徑R1和第二穩(wěn)態(tài)的主曲率半徑R2，以及第一穩(wěn)態(tài)的扭轉(zhuǎn)角θ1和第二穩(wěn)態(tài)的扭轉(zhuǎn)角θ2。采用Guest和Pellegrino的雙參數(shù)模型[18]來(lái)表示圓柱殼第一穩(wěn)態(tài)和第二穩(wěn)態(tài)的的曲率情況，即利用主曲率C和初始曲率軸線(xiàn)方向與主圓柱殼軸線(xiàn)夾角θ,及通過(guò)公式kxy=Csin2θ獲取扭曲率來(lái)表示曲率變化情況)。其中主曲率C為通過(guò)前述數(shù)字圖像處理技術(shù)得到的主曲率半徑的倒數(shù)(即為下表3和表4的第二穩(wěn)態(tài)主曲率kx2和第一穩(wěn)態(tài)主曲率ky1，初始曲率軸線(xiàn)方向與主圓柱殼軸線(xiàn)夾角θ為測(cè)得第一穩(wěn)態(tài)的扭轉(zhuǎn)角θ1和第二穩(wěn)態(tài)的扭轉(zhuǎn)角θ2的二分之一。表3和表4的第一穩(wěn)態(tài)扭曲率kxy1和第二穩(wěn)態(tài)扭曲率kxy2則是通過(guò)前述公式計(jì)算得到。表2給出了試樣1和試樣3在不同溫度下第一穩(wěn)態(tài)和第二穩(wěn)態(tài)主曲率半徑。結(jié)果表明：隨著溫度的增加，試樣主曲率半徑R均在不斷減小。

表3給出了試樣2第二穩(wěn)態(tài)時(shí)的主曲率和扭曲率。表4給出了試樣3第一穩(wěn)態(tài)時(shí)的主曲率和扭曲率。由表3～4可以發(fā)現(xiàn)，在溫度的影響下，反對(duì)稱(chēng)圓柱殼發(fā)生了扭轉(zhuǎn)情況，并且試件2第二穩(wěn)態(tài)的扭曲率和試件3第一穩(wěn)態(tài)的扭曲率都隨著溫度的增加扭轉(zhuǎn)程度整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。這可以說(shuō)明反對(duì)稱(chēng)首先產(chǎn)生某個(gè)方向上的扭轉(zhuǎn)變形，當(dāng)溫度影響不斷增大時(shí)，扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象會(huì)在原扭轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上不斷加劇，從而產(chǎn)生扭曲率變化的趨勢(shì)，但同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中有局部上減小的現(xiàn)象。首先，考慮到研究的反對(duì)稱(chēng)圓柱殼鋪設(shè)角為45°，通過(guò)理論分析得到隨著溫度的升高，試件在第一穩(wěn)態(tài)和第二穩(wěn)態(tài)時(shí)扭曲率都會(huì)增加[19]；其次，溫度的升高，反對(duì)稱(chēng)圓柱殼內(nèi)殘余應(yīng)力釋放會(huì)導(dǎo)致扭曲率的變化。復(fù)合材料樹(shù)脂基底在高應(yīng)變狀態(tài)下由線(xiàn)彈性變?yōu)檎硰椥?，在溫度升高后，影響更劇烈。?dāng)然，實(shí)驗(yàn)操作誤差或測(cè)試誤差等也會(huì)有影響。

反對(duì)稱(chēng)圓柱殼具有較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性，空間利用率比較好，并且質(zhì)量輕。不同層數(shù)的反對(duì)稱(chēng)圓柱殼在不同的溫度影響下有明顯的曲率變化，層數(shù)越多的反對(duì)稱(chēng)圓柱殼擁有更大的結(jié)構(gòu)剛度，抵抗溫度影響的能力更強(qiáng)，扭轉(zhuǎn)程度比層數(shù)少的小。在相同層數(shù)圓柱殼的情況下的溫度增加和在同一溫度下層數(shù)的減少會(huì)使圓柱殼更容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，如何消除溫度對(duì)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)曲率的影響，防止扭轉(zhuǎn)的產(chǎn)生是進(jìn)一步要解決的問(wèn)題。

表2　試樣1和試樣3在不同溫度下測(cè)量的實(shí)驗(yàn)主曲率半徑

表3　試樣2第二穩(wěn)態(tài)主曲率kx2和第二穩(wěn)態(tài)扭曲率kxy2

表4　試樣3第一穩(wěn)態(tài)主曲率ky1和第一穩(wěn)態(tài)扭曲率kxy1

2.3存放時(shí)間對(duì)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)性能的影響

樹(shù)脂基底具有黏彈性特性[16]，考慮存放時(shí)間對(duì)其雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)變形的臨界載荷的影響并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。表5和表6中列出了試樣1和2在不同溫度下的兩次相同實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的載荷，兩次實(shí)驗(yàn)時(shí)間間隔為25天。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)第二次實(shí)驗(yàn)相比第一次實(shí)驗(yàn)的Snap-through過(guò)程的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷Ft有較明顯的降低，表明該材料在工程使用中要考慮基底的材料性能，避免因其基底性能的改變影響雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)自身功能和變形的實(shí)現(xiàn)。

表5　試樣1兩次相同實(shí)驗(yàn)條件下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷

表6　試樣2兩次相同實(shí)驗(yàn)條件下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷

3　結(jié)　論

(1)溫度對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷、初始穩(wěn)態(tài)和第二穩(wěn)態(tài)曲率影響較大；隨著溫度的增加，反對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)圓柱殼在snap-through過(guò)程所需要的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷逐漸減小，而在snap-back過(guò)程所需要的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變臨界載荷逐漸增大，但是對(duì)比snap-through過(guò)程和snap-back過(guò)程的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷，前者明顯大于后者。同時(shí)再考慮兩個(gè)穩(wěn)態(tài)的扭曲率，整體上都是隨溫度的升高扭曲率不斷增加，只是局部有減小的情況。

(2)存放時(shí)間對(duì)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷也有較大的影響，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變載荷隨存放時(shí)間增加會(huì)有較大幅度的降低。

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(責(zé)任編輯：張崢)

Thermal Effect on Bistable Behaviour of T700/3234Anti-symmetric Cylindrical Shells

ZHANG Zheng1,PAN Hao1,YE Gangfei1,LI Chen1，2,WU Huaping1,CHAI Guozhong1

(1.Key Laboratory of E&M, Ministry of Education & Zhejiang Province, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032， China; 2.Department of Quality and Safety Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

The temperature effects on the bi-stable characteristics of T700/3234 anti-symmetric carbon-fiber composite structure were studied. Three different layup specimens were prepared through composite molding process.The two points loading method was used in the experiment. The modified experimental testing machine (the experimental testing machine could be used to induce the bistable composite shell to snap between the two stable shapes, and continually capture the data in the experimental process.) was related to tensile testing machine at present. The load-displacement curvatures under the temperature of 20 ℃,40 ℃,60 ℃ and 80 ℃ were given. The snap load was recorded and the photos were taken in the experimental process. After the experiment, the detailed data of curvature and twisting curvature were obtained by image processing technology. The variation law of the coiled-up radius, out-of-plane displacement, maximum snap-through and snap-back loads were analyzed. The effect on the composite structure was also discussed.The result shows that the thermal effect is vital to the bistable snaps process, and corresponding influence trends to the snap through and snap back process are given.

carbon-fibre composite；antisymmetric layup shell；Bi-stable characteristics；temperature field

2015-04-01；

2016-01-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51675485, 11002126)；浙江省自然科學(xué)基金(LY15E050016)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金 (20123317120003)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2013M540498，2014M561787)

張征(1979—)，男，博士，副教授，主要從事復(fù)合材料力學(xué)和數(shù)值分析方法研究，(E-mail)zzhangme@zjut.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.5.012

TH123

A

1005-5053(2016)05-0070-07