为了减轻航空和航天飞行器的重量，往往采用薄壁碳纤维复合材料构件，方管是其中一种。某航天产品采用轻质高强的碳纤维复合材料方管，由于产品设计需要，要求测试方管的拉伸、压缩、弯曲及扭转的性能。为便于产品设计选材及可靠性能数据，本文介绍有关理论分析。

　　所需碳纤维方管的外形尺寸为24mm×10mm。在长方形模芯上四周先铺上2层±45°的铺层，然后高度方向上下各铺上2层0°铺层，0°铺层宽度为10mm。每层铺层厚为0.15mm，树脂含量为38%~40%。方管两侧壁（也称腹板）厚为0.3mm，上下盖板厚为0.6mm。

　　T300碳纤维的弹性模量为216GPa，环氧树脂的弹性模量为3.5GPa，纤维体积含量为0.483，按单向纤维复合材料拉伸模量的混合律计算的纵向弹性模量为106GPa。碳纤维复合材料方管是由±45°铺层和0°铺层组成，简单地按其截面积比，可求出复合材料方管的平均拉伸弹性模量为38.1GPa，实测值为41.6GPa。

　　T300碳纤维的拉伸强度为3518MPa。0°铺层复合材料，当略去树脂强度时，其拉伸强度估算约1699MPa。45°铺层复合材料的拉伸强度由树脂剪切强度控制，环氧树脂的剪切强度为40MPa，则45°复合材料的拉伸强度约为80MPa。复合材料方管的拉伸强度近似可估算得出458MPa，与实测值456MPa很符合。

　　碳纤维方管是薄壁结构，在受压过程薄壁要发生翘曲失稳，侧壁板较薄，容易先失稳。侧壁板失稳后，由于上下盖板支持还可以继续承载。侧壁板失稳临界应力经过计算约为29.8MPa。碳纤维复合材料方管的承载能力是由侧壁板的极限应力来控制，侧壁板的极限应力，也即是方管的破坏应力，经过计算约为61.7MPa，该理论值比实测值小，是因为以上按小挠度理论计算，在结构设计计算时，采用小挠度理论是偏于安全的。当采用大挠度理论，并采用复合材料强度理论，极限强度还与其他参数有关，参考文献对于碳纤维复合材料，上述k系数还应乘以1.8系数，为k=5.05，则方管压缩的破坏强度为111MPa，与实测值117MPa很符合。

　　碳纤维方管的弯曲弹性模量比拉、压的高许多。这主要是与0°铺层布置在离中性轴较远的地方有关。根据碳纤维复合材料方管的铺层及几何尺寸、弯曲的平均折合弹性模量为50.5GPa，并与实测值52.9GPa很符合。

　　由于碳纤维方管壁很薄，剪切强度由剪切临界应力控制。扭转试样长度为300~360mm，较长，侧壁板可以当作无限长矩形板处理，侧壁板的剪切临界应力经计算结果为10.4MPa，这与实测值（11.8MPa)很符合。为何在扭转时不同弯剪，剪切失稳后，方管不再继续承载，原因是：①方管整体扭转，上下盖板也同时承受扭转剪切，方管棱边扭曲，不再是直线，因此对侧壁板不再有良好支持，当侧壁板失稳后不能再承受剪切应力；②在方管扭转受力情况下，侧壁板受扭剪与上下盖板受扭剪，不同于方管弯剪情况，是属串联结构，即使上下盖板受剪能力较大，方管整体扭转的剪切强度仍由剪切临界应力较低的侧壁板控制，上下盖板对方管的整体扭转剪切强度的提高是不多的。

　　通过测试得出碳纤维复合材料方管较全面的力学性能，通过理论分析说明试验数据可靠，理论估算值与实测值很符合。对于这种铺设的纤维复合材料方管，从强度上有压缩稳定，屈曲后极限强度，剪切失稳，弯剪强度等问题，从刚度方面有弯曲模量比拉压的高，弯剪的剪切模量比扭转剪切模量高。

       阅读延伸：《细数碳纤维矩形管的三大成型工艺》