华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (7): 139-148.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240353
吴耀鹏1,2, 杨泉1, 刘莹1
WU Yaopeng1,2, YANG Quan1, LIU Ying1
摘要:
双稳态复合材料结构是一种新型可展开结构,广泛应用于多个领域。然而在复杂工作环境中,其材料性能可能发生变化,进而影响结构的双稳态特性。结合理论研究和数值研究,建立含热膨胀系数和湿膨胀系数的复合材料薄柱壳结构理论模型,推导复杂环境下薄柱壳应变能的解析表达式。基于最小势能原理,建立了温度和湿度影响的双稳态理论模型,研究预测环境参数对T700/Epoxy、T300/5028 Graphite-Epoxy和AS7/M21碳纤维/环氧树脂复合材料柱壳第2稳态应变能、主曲率和扭曲率的影响。采用ABAQUS软件建立柱壳结构的有限元模型,数值模拟柱壳的双稳态变形过程,得到不同温湿环境下第2稳态应变能、主曲率和扭曲率变化,并将数值结果与理论结果进行对比分析。结果表明:T700/Epoxy、AS7/M21在20~120 ℃以及0.0~1.0%湿度范围内,最大应变能分别最多减少32.7%和9.1%,T300/5028 Graphite-Epoxy柱壳的应变能最大增量为914.6%,T700/Epoxy与T300/5028 Graphite-Epoxy的主曲率对温度敏感性强,最大增量约为17%和14%,而AS7/M21变化不超过5%。在抗扭性能上,T700/Epoxy与T300/5028 Graphite-Epoxy在高温高湿下波动较大,AS7/M21则保持良好稳定性。结合理论研究和数值模拟,高温、高湿对复合材料结构的双稳态性能影响显著。通过定量分析不同温湿条件下复合材料的力学性能,可为双稳态结构的材料选择及应用环境优化提供科学依据,有助于提升结构设计的可靠性和耐久性。
中图分类号: