纤维缠绕复合材料作为一种典型的复合材料结构形式，具有较高的比强度和比刚度、缠绕线型和缠绕角度可设计等优点，已普遍应用于导弹武器、航空航天及压力容器等重要领域。但是缠绕复合材料结构对于机械冲击载荷十分敏感，即使在低能量冲击，如工具坠落、设备碰撞及碎石飞溅等情况下，产品结构也有可能受到一定程度损伤。为了能够更好评估受冲击后缠绕复合材料结构的损伤情况及剩余强度，需要有较为准确的缠绕复合材料的初始力学性能数据。

　　近年来，很多学者从宏观、细观、工艺参数、缠绕压力等方面对缠绕复合材料力学性能进行了大量研究。以往在进行纤维缠绕复合材料结构的力学分析时，大都采用的仍是复合材料层合板的相关力学性能数据，缺乏纤维缠绕复合材料结构专门的力学性能测试数据。然而，由于复合材料层合板和纤维缠绕复合材料壳体制作工艺的差异，两者的力学性能参数不可能完全等效。因此，有必要开展纤维缠绕复合材料相关力学性能测试，并分析面内剪切非线性对纤维缠绕复合材料壳体力学性能的影响。文中通过制作缠绕复合材料NOL试件和缠绕复合材料板型件，并依据相关试验标准，开展了缠绕复合材料的拉伸、面内剪切和层间剪切试验，以获取碳纤维/环氧树脂基缠绕复合材料的基本力学性能参数。

　　采用日本东丽T700碳纤维和环氧树脂，制作相应的缠绕复合材料试件。NOL环试验件采用纤维缠绕成型工艺制作而成，与缠绕复合材料壳体等结构的制作工艺接近，测得的数据针对性更强。因此，使用NOL环测试缠绕复合材料的拉伸强度和层间剪切强度。T700碳纤维/环氧树脂复合材料NOL环的制备是在数控缠绕机上制作完成的。针对复合材料拉伸测试和层间剪切强度测试试验，分别制作1.5mm和3mm两种不同厚度的N0L环，前者用于拉伸强度测试，后者用于层间剪切强度测试。

　　参照GB/T1458-200812,分别采用劈裂圆盘法和短梁剪切法测试复合材料NOL环拉伸强度和层间剪切强度，拉伸和层间剪切强度测试均选取27个有效试样进行统计分析。面内剪切性能是复合材料的重要性能指标之一，目前常用的复合材料剪切试验方法包括±45°纵横剪切、双V形槽剪切、薄壁筒扭转等，其中纵横剪切法由于试样制备和加载方式简单，得到了较为广泛的应用。文中依据ASTMD3518一201313J标准中的步骤开展复合材料面内剪切试验。

　　为了更准确的反映纤维交叠对缠绕复合材料面内剪切性能的影响，制作了缠绕复合材料拉伸试件，制作过程为：首先在缠绕机上制作缠绕角度为±45°、厚度为2mm的壳体试件；然后去掉复合材料封头处的纤维层，将缠绕复合材料壳体沿轴线方向割开、展平：再将展平的缠绕复合材料放置在钢质模具内加压固化成型：最后采用水切割方法将平板按照相应尺寸制作成±45°纵横剪切试件，并在两端贴上加强片待用。由于在复合材料壳体展开的过程中，其边界处的纤维角度会出现一定程度的翘曲，因此在固化成型后去掉该部分，以保证试件的铺层顺序符合标准要求。

　　同时，为了对比分析的需要，制作了铺层顺序为±45°的传统复合材料层合板试件，并同样对其进行了面内剪切试验。在进行缠绕复合材料±45°纵横剪切试验过程中，采用数字散斑应变测试技术（DIC）监测了试件加载过程中应变场的变化情况，记录试件破坏过程中的纵、横向应变变化情况，同时分析缠绕结构对应变场的影响情况。

　　通过上述试验，得到了T7O0/Epoxy纤维缠绕复合材料的基本力学性能参数，包括：纵向拉伸强度Xt、纵向弹性模量E1、面内剪切强度S2、面内剪切模量G2、层间剪切强度t2及层间剪切模量E2等参数。同时，采用复合材料横向拉伸试件测试得到了T700/Epoxy复合材料的横向拉伸强度Y,和横向拉伸模量E2。从测试结果可以看出，纤维缠绕复合材料的拉伸强度及剪切强度均具有一定的分散性，根据以往的经验，复合材料强度一般服从威布尔分布。因此，采用最大似然估计法进行双参数威布尔分布拟合。

　　通过上述研究，得出以下主要结论：纤维缠绕复合材料结构和复合材料层合板结构的剪切应力-应变曲线均呈现出明显的非线性特征：纤维交叠结构对纤维缠绕复合材料结构内部的损伤扩展起到了阻碍作用，使得其面内剪切失效应变明显大于复合材料层合板的失效应变。根据纤维缠绕复合材料强度性能的分布规律，认为复合材料强度性能服从双参数威布尔分布，采用最大似然估计法对威布尔分布参数进行了拟合计算，并对拟合结果进行了K-S检验，结果表明：在显著性水平为0.05时，纤维缠绕复合材料的纵向拉伸强度、面内剪切强度和层间剪切强度均服从双参数威布尔分布。

　　阅读延伸：《碳纤维缠绕工艺的三种类型》