FRP材料的物理力学特性的研究是从层压薄板的力学特性开始的，已经有30多年的研究历史。本文从力学的角度分析了不同铺层方式的CFRP圆管的强度特性。然后对两种不同直径纤维缠绕CFRP圆管抗压和抗拉力学基本特性进行了详细的试验研究，验证了力学分析结果的可靠性。

　　试件材料为T700SC碳纤维和环氧树脂，纤维按纵向和环向铺设，纵向纤维主要提供抗拉和抗压能力，环向纤维作为环向补强，并抵抗偶然横向剪力，铺层方式[（90°/0°）2]s,共8层。采用缠绕成型方法加工了试验试件，单个试件长500mm，管的设计厚度1.6mm，受压管的两端加强区为100mm，试验段长300mm，管的内直径为150mm,共3个试件。受拉管两端加强区为150mm，试验段长200mm，管的内直径为50mm，共3个试件。管的端部均进行了机械加工，使端部尽量水平，减少偏心。

　　受压试件管内布置钢帽与MTS试验机接触，通过钢帽将荷载传递给试件，使试件受压，试件的加强端外套钢环，增加端部约束，保证荷载的正确传递。在实验过程中，加载到破坏荷载的80%前，几乎没有肉眼可见的变化，当达到破坏荷载的80%时，发出劈劈啪啪的响声。这时树脂开始开裂。破坏发生得很突然，能听得剧烈的崩断声，属于脆性破坏。通过观察断面发现，树脂开裂，最外层环向纤维拉断，部分纵向纤维也发生折断。破坏发生在试验段距加强端1/3处。表明CFRP管受压时，荷载主要由基体承受，其强度取决于基体的强度。

　　在基体发生微裂纹方向应变加快，随着基体微裂纹的增加，基体最终完全开裂，形成环向贯通裂纹。这时，CFRP管达到承载力极限，发生脆性破坏。通过分析可见，这种材料制备的CFRP管具有很好的抗压强度，平均强度为240MPa，应变达到5.2×10^-3，CFRP管压缩弹性模量为51.8GPa。

　　CFRP管拉伸实验得到的应力-应变曲线与压缩实验的应力一应变曲线相比，有很大的不同。通过分析应变数据，可知当加载后试件变形应变达到0.005时，发出劈劈啪啪的响声，这时树脂开始有微裂纹，但肉眼观察不到；当应变达到0.010左右时，在拉断面上树脂大范围开裂，断裂的树脂退出工作，荷载主要由纤维承受：荷载继续增加，但试件的变形增加得更快。直至纤维拉断，试件发生爆炸式破坏，破坏发生在加强端与试验段的接合部，多层纤维和树脂完全脱落，纤维大部分拉断，断口有近1cm宽，并且断口的有些部位内外层纤维和树脂完全断裂，出现破坏孔洞。

　　实验结束后，发现试件表面有晶体状粉末，说明树脂在拉力的作用下，表层发生肉眼看不见的微裂纹，这些微裂纹致使粘贴在试件表层的应变片失效，有部分应变片的电极脱落。通过对应力应变曲线的分析，发现在轴向应力达到400MPa左右时，应变片便失效，这时对应的轴向应变为0.01,环向应变为0.0012。

　　与压缩试验相比较，拉伸的应力-应变曲线有明显的屈服段，这是因为树脂破裂，开始逐步退出工作，当树脂形成环向贯通裂纹后，这部分树脂便退出工作，这时拉力主要由纤维承担，CFRP管还能继续承受荷载。但是随着荷载的增加，此时变形快速增加，直至CFRP管完全破坏。由此可知，在应力-应变曲线直线段是树脂与纤维共同工作段，曲线段为有部分树脂开裂退出工作，有部分纤维单独承受拉力段。

　　但这一阶段仍然存在没有开裂的树脂和纤维共同工作破坏时，CFRP管的抗拉强度到800MPa以上，应变大到0.032，CFRP管的平均拉伸弹性模量为50.05GPa，这说明CFRP管具有很好的抗拉伸性能。

　　采用各向异性弹性力学的方法，结合复合材料层合理论分析得到的CFRP管的抗拉强度为893.5MPa,抗压强度为CFRP管的抗拉强度为296.4MPa;而试验得到的CFRP管的抗拉强度平均为820MPa，抗压强度平均为240MPa，通过对比可以看出CFRP圆管的理论强度比试验得到的强度略高，这是因为CFRP管的加工不可避免地有加工缺陷，理论分析是一种理想情况。可见，通过这种理论分析的方法可以完成对层合缠绕CFRP圆管的设计。

　　阅读延伸：《碳纤维圆管的周向强度分析》