溫度對T700/3234反對稱鋪設圓柱殼結構的雙穩(wěn)態(tài)特性影響

張　征，　潘　豪，　葉鋼飛，　李　琛，2，　吳化平，　柴國鐘

(1.浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室， 杭州 310032； 2.中國計量大學 質量與安全工程學院，杭州 310018)

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溫度對T700/3234反對稱鋪設圓柱殼結構的雙穩(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，柴國鐘1

(1.浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室， 杭州 310032； 2.中國計量大學 質量與安全工程學院，杭州 310018)

討論溫度對T700/3234反對稱鋪設圓柱殼結構的雙穩(wěn)態(tài)特性的影響。通過熱壓固化成型工藝制備了三種不同鋪層層數(shù)的試樣，采用兩點加載的方式，使用在現(xiàn)有的拉伸試驗機上改裝的實驗測試平臺驅動反對稱鋪設圓柱殼結構進行穩(wěn)態(tài)轉變，持續(xù)捕捉實驗過程中的數(shù)據(jù)，得到在20℃，40℃，60℃和80℃溫度下的載荷—位移曲線的變化規(guī)律及穩(wěn)態(tài)轉變載荷。實驗后，通過圖像處理技術得到曲率和扭曲率等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)分析穩(wěn)態(tài)轉變載荷和穩(wěn)態(tài)曲率變化情況，并對存放時間對殼結構的影響進行了討論。結果表明，溫度對雙穩(wěn)態(tài)結構穩(wěn)態(tài)轉變影響較大，給出了溫度對snap-through和snap-back過程的影響規(guī)律。

碳纖維復合材料；反對稱層合殼；雙穩(wěn)態(tài)特性；溫度場

具有反對稱鋪設(鋪層方式如：[+α/-α/+α/-α]等)的碳纖維復合圓柱殼結構有兩種穩(wěn)態(tài)結構[1]，即在一個穩(wěn)定的圓柱殼結構上，外界對其施加一定的外在驅動力(例如機械載荷)，可以使其轉變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定的結構，并且這種結構不需要外力維持。這種具有雙穩(wěn)態(tài)特性的結構在可變形結構上(如可變形機翼、風力發(fā)電機葉片等)有較大的應用前景。碳纖維結構在實際應用過程中受周圍環(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驗環(huán)境，模擬不同試件在不同溫度下的力學行為變化，對揭示在溫度場影響下的雙穩(wěn)態(tài)殼結構變形特性具有重要意義。

近年來，國內外越來越多的學者開始關注雙穩(wěn)態(tài)復合圓柱殼結構的雙穩(wěn)態(tài)性能[4-6]，此種結構具有兩種穩(wěn)定結構狀態(tài)，具有承載能力高、空間利用率好以及結構輕便等優(yōu)點。反對稱鋪設的雙穩(wěn)態(tài)復合圓柱殼作為其中的一種結構，很多學者研究其形變狀況、實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)轉變的驅動方式以及在結構方面的應用[7,8]。Zhang等[9,10]對反對稱鋪設的圓柱殼結構的雙穩(wěn)態(tài)性能進行了理論推導、有限元模擬以及實驗，得到了圓柱殼不同幾何尺寸以及鋪層方式對雙穩(wěn)態(tài)性能的影響情況。雙穩(wěn)態(tài)復合圓柱殼結構多由碳纖維復合材料制備而成，溫度、濕度等因素對碳纖維復合材料性能具有重要的影響。Tsai等[11]通過實驗方法來研究非對稱鋪設復合材料結構在潮濕環(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間的變化關系。Youssef等[12]通過模擬航空航天環(huán)境，研究了濕度、溫度及濕熱耦合作用下碳纖維復合材料的疲勞損傷問題。Moore等[13,14]利用數(shù)值模擬方法，得到非對稱鋪設雙穩(wěn)態(tài)復合材料層合板在高溫固化過程中，層合板各點位移隨溫度變化之間的關系，并且通過實驗，獲取了非對稱鋪設雙穩(wěn)態(tài)復合材料層合板由高溫冷卻至室溫時不同溫度下的形狀。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，模擬了非對稱鋪設層合板高溫固化過程中溫度與曲率之間的關系。

非對稱正交鋪設層合板的兩種穩(wěn)態(tài)結構曲率方向相反，而反對稱層合圓柱殼的兩種穩(wěn)態(tài)結構曲率方向相同。此外，反對稱層合圓柱殼在鋪設角和整體尺寸結構的改變上比非對稱正交鋪設層合板具有更好的設計性。大部分學者都關注濕熱因素對正交鋪設的雙穩(wěn)態(tài)層合板高溫固化過程的影響，只有少部分學者著眼于研究溫度對反對稱鋪設的雙穩(wěn)態(tài)復合圓柱殼結構的雙穩(wěn)態(tài)性能的影響。反對稱鋪設的雙穩(wěn)態(tài)復合圓柱殼結構作為一種新型的可延展性結構一般應用于環(huán)境復雜多變工況，研究溫度因素對雙穩(wěn)態(tài)復合材料結構的影響對其應用有著重要理論意義。通過溫度影響下的雙穩(wěn)態(tài)實驗，可以獲取不同溫度影響下反對稱復合圓柱殼的不同形變情況，并且利用機械加載的方式，得到其兩個穩(wěn)態(tài)轉變過程所需載荷隨溫度變化而變化的情況。通過實驗研究溫度對反對稱鋪設的雙穩(wěn)態(tài)復合圓柱殼影響情況，可以為其在可變形結構上的應用提供有效的預測和保證。

1　實驗試樣和測試平臺

反對稱層合板圓柱殼試樣采用由多個厚度為0.185 mm的碳纖維填充環(huán)氧樹脂(T700/3234)單層板按照所設計的尺寸剪裁，然后按照一定的鋪設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，反對稱圓柱殼的第二穩(wěn)態(tài)卷曲半徑隨著鋪設角的增大先減小而后又逐漸增加[17]。在初步設計初始截面半徑R1=25 mm的情況下，使用鋪設角為45°的反對稱圓柱殼存在比其他鋪設角更小的第二穩(wěn)態(tài)卷曲半徑，相比其他鋪設角度更易于研究溫度對反對稱圓柱殼的影響。設計制備的反對稱圓柱殼結構的如表1所示，幾何參數(shù)設定如下：反對稱圓柱殼長度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，標記4層的反對稱圓柱殼為試樣1，5層的反對稱圓柱殼為試樣2，6層的反對稱圓柱殼為試樣3，具體實物照片如圖1所示。由于試樣制備的誤差會對圓柱殼初始扭曲率kxy1造成影響，測試得到試樣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　反對稱圓柱殼結構試樣

圖1　實驗制備的試件Fig.1　Manufactured specimens

使用含溫控箱的REGER 3010型電子萬能材料試驗機對試樣進行加載，其標配的力傳感器量程為1 kN，誤差0.5%～1%左右，并在此基礎上進行了裝夾和加載部分的改裝。該實驗平臺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。夾具是由兩個滑塊和一個夾具底座裝配而成，其中夾具底座基本尺寸為150 mm×100 mm，照片如圖2所示。

實驗總共進行5次，前3次進行不同鋪層層數(shù)下的穩(wěn)態(tài)轉變實驗，后2次進行試樣1和試樣2在一定時間間隔下重復的2次實驗，以討論存放時間對雙穩(wěn)態(tài)結構性能的影響。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稱圓柱殼的兩直邊的中點處，壓頭的最低點盡可能靠近兩直邊，但不接觸，如圖2(b)所示。運行控制加載程序，使壓頭以一定的進給速率進行位移加載，使反對稱圓柱殼進行穩(wěn)態(tài)轉變，壓頭向下加載到一定距離時，反對稱圓柱殼發(fā)生突變，兩直邊變?yōu)閳A弧邊，而之前的圓弧邊轉變?yōu)橹边?。此實驗過程稱為Snap-through過程，并把此過程的逆過程稱為Snap-back過程。圖3中試樣1,2,3的左側圖為Snap-through過程的載荷位移曲線，試樣1,2,3的右側圖為Snap-back過程的載荷位移曲線。為了觀察試樣兩直邊的扭轉情況和圓弧邊的曲率變化情況，對該試樣拍攝Snap-through和Snap-back過程的轉變前后的兩直邊和圓弧邊的照片，通過采用Matlab編程和照片處理軟件coredraw相結合的自主研發(fā)軟件對實驗照片進行處理，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)試驗測試的附帶溫控箱的拉伸試驗機　(a)經改裝的實驗平臺;(b)溫控箱中的內部加載情況Fig.2　Tensile testing machine with temperature control box for the bistable　(a)modified testing machine;(b)internal loading state in temperature

對于不同的溫度環(huán)境下的穩(wěn)態(tài)轉變實驗，通過調整溫控箱的溫度，重復進行上述實驗操作過程可以得到。

2　結果及分析

2.1溫度對穩(wěn)態(tài)轉變載荷的影響

考慮試件的材料特性即其玻璃態(tài)轉化溫度Tg為85℃的限制，對3種不同鋪層層數(shù)的反對稱圓柱殼分別在20 ℃，40 ℃，60 ℃和80 ℃的溫度下進行穩(wěn)態(tài)轉變實驗，研究溫度場對兩種穩(wěn)態(tài)轉變過程的影響。從snap-through實驗過程觀察到，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，當達到載荷的最大值后，壓頭還一直接觸圓柱殼的兩直邊，同時壓頭繼續(xù)下移加載，圓柱殼達到一定變形后，脫離與壓頭的接觸，突然轉變達到第二穩(wěn)態(tài)，壓頭停止下移加載，其中把載荷的最大值稱為穩(wěn)態(tài)轉變載荷。snap-back過程以第二穩(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 ℃的溫度下進行snap-through過程反對稱圓柱殼所受載荷隨殼直邊中點的位移(即壓頭向下加載時的位移)變化的關系曲線和20 ℃，40 ℃，60 ℃時Snap-back穩(wěn)態(tài)轉變過程關系曲線，試樣1,2的80 ℃的snap-back曲線由于較大的扭曲率而未獲得，同時圖4給出了三個試件穩(wěn)態(tài)轉變載荷隨溫度變化趨勢圖。

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

以上分析表明，隨著鋪層層數(shù)的增加，反對稱圓柱殼有了更大的結構剛度，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)越多的反對稱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的載荷位移曲線與snap-through的載荷位移曲線有較大的不同，原因在于不同溫度下，第二穩(wěn)態(tài)時的反對稱圓柱殼相比第一穩(wěn)態(tài)時的圓柱殼曲率半徑有了改變，并且第二穩(wěn)態(tài)時相比第一穩(wěn)態(tài)有更大扭曲率的存在。復合材料樹脂基底在高應變狀態(tài)下由線彈性變?yōu)轲椥訹16]，在溫度升高后，影響更劇烈。參考造成正交對稱雙穩(wěn)態(tài)薄板在不同溫度下所需穩(wěn)態(tài)轉變載荷變化的影響因素[13]，每層的樹脂和纖維的力學性能受溫度的影響，同時考慮到穩(wěn)態(tài)轉變載荷在局部上不符合整體隨溫度變化趨勢(即在圖4(a)的snap-through過程中，隨著溫度的升高，穩(wěn)態(tài)轉變載荷在整體上是減小的，而試樣在80 ℃的穩(wěn)態(tài)轉變載荷比60 ℃的穩(wěn)態(tài)轉變載荷的大)，可能是因為該反對稱圓柱殼是由含不同鋪設角的單層板粘結而成，不同鋪層間的層間剪切力會在不同溫度下產生變化從而產生穩(wěn)態(tài)轉變載荷的局部變化。此外，反對稱圓柱殼存在的制造缺陷和實驗的測量誤差也會對其造成影響。

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

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

2.2溫度對穩(wěn)態(tài)曲率的影響

對于Snap-through過程和Snap-back過程，分別在20 ℃,40 ℃,60 ℃和80 ℃的溫度下進行穩(wěn)態(tài)轉變的實驗。通過前述數(shù)字圖像處理技術，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)的扭轉角θ1和第二穩(wěn)態(tài)的扭轉角θ2。采用Guest和Pellegrino的雙參數(shù)模型[18]來表示圓柱殼第一穩(wěn)態(tài)和第二穩(wěn)態(tài)的的曲率情況，即利用主曲率C和初始曲率軸線方向與主圓柱殼軸線夾角θ,及通過公式kxy=Csin2θ獲取扭曲率來表示曲率變化情況)。其中主曲率C為通過前述數(shù)字圖像處理技術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，初始曲率軸線方向與主圓柱殼軸線夾角θ為測得第一穩(wěn)態(tài)的扭轉角θ1和第二穩(wěn)態(tài)的扭轉角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則是通過前述公式計算得到。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)時的主曲率和扭曲率。表4給出了試樣3第一穩(wěn)態(tài)時的主曲率和扭曲率。由表3～4可以發(fā)現(xiàn)，在溫度的影響下，反對稱圓柱殼發(fā)生了扭轉情況，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程度整體呈現(xiàn)增加的趨勢。這可以說明反對稱首先產生某個方向上的扭轉變形，當溫度影響不斷增大時，扭轉現(xiàn)象會在原扭轉基礎上不斷加劇，從而產生扭曲率變化的趨勢，但同時可以發(fā)現(xiàn)在實驗的過程中有局部上減小的現(xiàn)象。首先，考慮到研究的反對稱圓柱殼鋪設角為45°，通過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)時扭曲率都會增加[19]；其次，溫度的升高，反對稱圓柱殼內殘余應力釋放會導致扭曲率的變化。復合材料樹脂基底在高應變狀態(tài)下由線彈性變?yōu)檎硰椥裕跍囟壬吆?，影響更劇烈。當然，實驗操作誤差或測試誤差等也會有影響。

反對稱圓柱殼具有較好的結構設計性，空間利用率比較好，并且質量輕。不同層數(shù)的反對稱圓柱殼在不同的溫度影響下有明顯的曲率變化，層數(shù)越多的反對稱圓柱殼擁有更大的結構剛度，抵抗溫度影響的能力更強，扭轉程度比層數(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)的減少會使圓柱殼更容易發(fā)生扭轉，如何消除溫度對雙穩(wěn)態(tài)結構曲率的影響，防止扭轉的產生是進一步要解決的問題。

表2　試樣1和試樣3在不同溫度下測量的實驗主曲率半徑

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存放時間對雙穩(wěn)態(tài)結構性能的影響

樹脂基底具有黏彈性特性[16]，考慮存放時間對其雙穩(wěn)態(tài)結構變形的臨界載荷的影響并進行試驗測試。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驗操作過程中的載荷，兩次實驗時間間隔為25天。

通過實驗發(fā)現(xiàn)第二次實驗相比第一次實驗的Snap-through過程的穩(wěn)態(tài)轉變載荷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)結構自身功能和變形的實現(xiàn)。

表5　試樣1兩次相同實驗條件下的穩(wěn)態(tài)轉變載荷

表6　試樣2兩次相同實驗條件下的穩(wěn)態(tài)轉變載荷

3　結　論

(1)溫度對穩(wěn)態(tài)轉變載荷、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，反對稱鋪設圓柱殼在snap-through過程所需要的穩(wěn)態(tài)轉變載荷逐漸減小，而在snap-back過程所需要的穩(wěn)態(tài)轉變臨界載荷逐漸增大，但是對比snap-through過程和snap-back過程的穩(wěn)態(tài)轉變載荷，前者明顯大于后者。同時再考慮兩個穩(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)存放時間對雙穩(wěn)態(tài)結構穩(wěn)態(tài)轉變載荷也有較大的影響，穩(wěn)態(tài)轉變載荷隨存放時間增加會有較大幅度的降低。

[1] ZHANG Z, WU H, HE X,etal. The bistable behaviors of carbon-fiber/epoxy anti-symmetric composite shells [J]. Composites Part B：Engineering, 2013, 47: 190-199.

[2] 韓志勇,王曉梅,左進奎,等. 碳纖維樹脂基復合材料電熱損傷溫度場研究[J]. 中國民航大學學報,2013,02:63-66.

(HAN Z Y, WANG X M, ZUO J K,etal. Research on temperature field of CFRP electric-thermaI damage[J]. Journal of Civil Aviation University of China,2013,02:63-66.)

[3] 王世明. 溫度與濕度環(huán)境對碳纖維復合材料力學行為的影響研究[D].南京：南京航空航天大學,2011.

(WANG S M. Effect of temperature and humidity environment on mechanical properties of carbon fiber composites[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,2011.)

[4] 張曉艷. 非對稱正交鋪層雙穩(wěn)態(tài)復合材料的發(fā)展與應用[J]. 航空制造技術,2012,17:70-71+89.

(ZHANG X Y. Development and application of unsymmetric bi-stable composites[J]. Aeronautical Manufacturing Technology,2012,17:70-71+89.)

[5] 董文俊,孫秦. 不對稱鋪層復合材料層合板的雙穩(wěn)態(tài)機理分析[J]. 機械科學與技術,2012(3):461-464+469.

(DONG W J,SUN Q. The mechanism analysis of bi-stable asymmetric composite laminates[J]. Mechanical Science and Technology,2012(3):461-464+469.)

[6] 張征,吳和龍,吳化平,等. 正交鋪設碳纖維復合材料結構的雙穩(wěn)態(tài)特性研究[J]. 功能材料,2013(2):236-239.

(ZHANG Z, WU H L, WU H P,etal. Bi-stable characteristics of orthogonal unsymmetric carbon-fiber composite structure[J]. Functional Materials,2013(2):236-239.)

[7] GUDE M, HUFENBACH W, KIRVEL C. Piezoelectrically driven morphing structures based on bistable unsymmetric laminates[J]. Composite Structures, 2011; 93: 377-382.

[8] PIRRERA A, AVITABILE D, WEAVER P M. On the thermally induced bistability of composite cylindrical shells for morphing structures, International Journal of Solids and Structures, 2012，49: 685-700.

[9] ZHANG Z, WU H, WU H,etal. Bistable characteristics of irregular anti-symmetric lay-up composite cylindrical shells[J]. International Journal of Structural Stability and Dynamics，2013，13(6)：1350029.

[10] ZHANG Z, WU H, YE G,etal. Systematic experimental and numerical study of bistable snap processes for anti-symmetric cylindrical shells [J]. Composite Structures, 2014,112: 368-77.

[11] TSAI C L, WOOH S C, HWANG S F,etal. Hygric characterization of composites using an antisymmetric cross-ply specimen[J]. Experimental Mechanics, 2001, 41(3): 270-276.

[12] YOUSSEF Z, JACQUEMIN F, GLOAGUEN D,etal. A multi-scale analysis of composite Structures: application to the design of accelerated hygrothermal cycles[J]. Composite structures, 2008， 82: 302-309.

[13] MOORE M, ZIAEI-RAD S, SALEHI H. Thermal response and stability characteristics of bistable composite laminates by considering temperature dependent material properties and resin layers[J]. Applied Composite Materials, 2013， 20: 87-106.

[14] MOORE M, ZIAEI-RAD S, FIROUZIAN-NEJAD A. Temperature-curvature relationships in asymmetric angle ply laminates by considering the effects of resin layers and temperature dependency of material properties[J]. Journal of Composite Materials, 2014; 48: 1071-1089.

[15] ECKSTEIN E, PIRRERA A, WEAVER P M. Morphing high-temperature composite plates utilizing thermal gradients[J]. Composite Structures, 2013, 100: 363-372.

[16] YANG J, XIONG J, MA L,etal. Vibration and damping characteristics of hybrid carbon fiber composite pyramidal truss sandwich panels with viscoelastic layers[J]. Composite Structures, 2013，106: 570-580.

[17] 吳和龍. 反對稱雙穩(wěn)態(tài)復合材料結構的實驗與數(shù)值模擬研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學, 2012.

(WU H L. Experimental investigation and numerical simulation for the anti-symmetric bistable composite structure[D].Hangzhou: Zhejiang University of Technology,2012.)

[18] GUEST S, PELLEGRINO S. Analytical models for bistable cylindrical shells[J]. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Science, 2006, 462(2067): 839-854.

[19] ZHANG Z, YE G, WU H,etal. Thermal effect and active control on bistable behaviour of anti-symmetric composite shells with temperature-dependent properties[J]. Composite Structures, 2015；124: 263-271.

(責任編輯：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

國家自然科學基金資助項目(51675485, 11002126)；浙江省自然科學基金(LY15E050016)；教育部高等學校博士學科點專項科研基金 (20123317120003)；中國博士后科學基金(2013M540498，2014M561787)

張征(1979—)，男，博士，副教授，主要從事復合材料力學和數(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