不同铺层方式的复合材料层合板弯曲性能的研究

以碳纤维缠绕电动节能车车架为研究对象,采用有限元分析和力学试验对比的方式研究碳纤维铺层角及铺层层数对碳纤维复合材料层合板弯曲性能的影响。以层合板铺层角度、铺层层数为变量设置试验对比组,在ANSYS Composite Prep/Post复合材料分析模块中创建层合板的有限元模型研究层合板在承受弯曲载荷时的抗弯表现。结合弯曲试验结果,分析不同铺层方式对碳纤维复合材料层合板弯曲性能的影响。结果表明:在铺设一定数量的±45°铺层的基础上,增加0°/90°正交铺层可提高层合板的静承载强度;增加铺层层数,可提高层合板的弯曲强度。     

天线反射面的冲击变形仿真

树脂基碳纤维复合材料（CFRP）产品具有轻质、高强度、高刚度等特点.文中从刚度设计的角度出发,对碳纤维复合材料天线反射面进行铺层设计,利用有限元分析软件ANSYS对其冲击变形仿真,结果表明所有铺层方式均满足设计要求,但实际铺层时应考虑采取变形最小的准各向同性铺层[90/45/9/-45/-A]s.     

大型望远镜主镜室碳纤维桁架单元的优化

为适应光学红外望远镜口径不断增大的需求,降低驱动功率,应用碳纤维复合材料对望远镜主镜室桁架进行轻量化设计。对望远镜主镜室碳纤维复合材料桁架单元铺层进行优化设计,利用进化算法选取最优铺层方案。对望远镜主镜室桁架单元建模,并利用敏感性分析及进化算法选取最佳铺层方案,设计另外3种典型铺层方案进行对比,对桁架杆单元进行静力学分析和加载实验,对桁架杆组装成的六杆三棱锥单元进行模态分析和振动测试。有限元分析和实验结果对比表明:最优铺层方案为[±45°/90°/0°/90°/0°]s。有限元分析得到该方案桁架杆单元的等效轴向刚度为8.306×106N/m,实验测得为7.463×106N/m;有限元分析得到的等效径向刚度为3 968.3 N/m,实验测得为3 344.5 N/m。该方案六杆三棱锥单元模态分析得到一阶频率为93.699 Hz,振动测试测得一阶频率为84.683 Hz。复合材料桁架杆质量比同尺寸的钢结构杆减轻了77.6%,静力学性能与动力学性能均优于同质量钢杆。最佳铺层方案的有限元分析结果和实验结果表明其静力学性能及动力学性能均优于其他方案。     

不同铺层转角T700/E44 复合材料拉伸强度有限元分析

碳纤维复合材料的失效行为与复合材料内部的应力状态有关,不同铺层转角的单向碳纤维复合材料层合板的性能具有明显差异。文中利用HyperWorks 商用有限元软件建立了T700/E44 复合材料层合板拉伸模型,基于Chang-Chang 复合材料失效模型对不同铺层转角复合材料层合板的 X 向及 Y 向拉伸性能进行了数值模拟分析。研究结果表明,复合材料层合板以45° 铺层转角对称结构层合时,复合材料有着最佳的综合拉伸性能。这对高性能雷达中复合材料部件的铺层结构设计具有重要的指导意义。     

风力机叶片铺层参数多目标优化设计

叶片铺层设计为一个多参数、多目标的复杂耦合作用过程,其性能主要取决于铺层参数。通过推导正轴刚度不变量和弯扭刚度矩阵间的关系,构建层合板刚度等效模型与铺层顺序表征参数之间的数学关系,实现铺层顺序的量化;应用均匀试验设计、有限元分析和和多元非线性回归法,构建铺层参数和叶片性能间的耦合数学模型,分析单参数和两两参数对叶片刚强度的影响;为实现叶片刚强度的多目标优化,应用层次分析法计算各目标函数权重,建立叶片多目标优化数学模型;基于模拟退火算法进行求解,得到叶片综合性能最优的铺层参数组合为铺层角度45°、±x°铺层厚度比例为58%、铺层顺序为[±x°/0°/90°/±x°]TN。结果表明优化后叶片的最大位移和Tsai-wu失效因子分别降低了2.79%和5.87%,性能得以提高,验证所提出多目标优化方法的有效性和可行性。     

碳纤维层压板复合材料拉伸性能的有限元分析

利用有限元软件Abaqus分别对[0°]8和[0°/45°/90°/-45°]S两种铺层结构的碳纤维层压板复合材料建模,模拟得到层压板拉伸时的应力-应变曲线,并与试验结果进行了比较;同时,基于Cohesive界面单元模拟了层压板在拉伸载荷作用下的层间力学性能及失效模式。结果表明:模拟得到的应力-应变曲线与试样结果具有较好的一致性;[0°/45°/90°/-45°]S结构层压板因纤维铺层方向的差异而具有明显的界面破坏现象,而[0°]8结构层压板的分层现象不明显。     

不同铺层角度GLARE层板复合材料的抗鸟撞性能

采用大型非线性动力学软件PAM-CRASH,分别建立了三种铺层角度GLARE层板复合材料简单平板和飞机尾翼典型前缘结构的有限元模型,对三种平板和结构进行抗鸟撞有限元模拟,研究了不同铺层角度GLARE层板复合材料的抗鸟撞性能,并进行了试验验证。结果表明:对于厚度相同的GLARE层板复合材料,铺层角度为±45°正交铺层方式的平板和结构的吸能量效果最佳,抗鸟撞性能最优;铺层角度为0°/90°正交铺层方式的次之,0°/45°/-45°/90°铺层方式的最差;试验得到的三种铺层结构的破坏形态、面积以及撞击点附近某点的应变时程曲线与模拟结果一致,说明建立的有限元模型正确。     

混杂纤维复合材料汽车引擎盖结构优化设计

以某款汽车引擎盖为例,用碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料替换金属材料,基于Opti Struct软件的复合材料优化技术,提出了多阶段联合优化设计的方法。在概念设计阶段,通过拓扑优化确定复合材料的总体分布;在详细设计阶段,通过尺寸优化确定复合材料每种形状铺层块的具体厚度;在工艺设计阶段,通过铺层顺序优化确定最佳的铺层顺序。优化结果表明,原钢制汽车引擎盖质量为13.39 kg,在满足各种力学性能和制造工艺要求的前提下,经过多阶段联合优化设计后,复合材料汽车引擎盖质量为5.36 kg,质量减少了60%。     

承载式碳纤维缠绕内衬钢管车架轻量化设计

使用碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)替换原金属材料是汽车轻量化设计的新途径。对于连接要求高、空间结构复杂的车架结构采用碳纤维缠绕内衬钢管的形式来实现材料的部分替代是一种新的思路。以承载式CFRP层缠绕内衬钢管车架为研究对象,在保证车架安全性的前提下,基于HyperWorks软件的复合材料优化模块,通过自由尺寸优化、厚度参数优化和铺层顺序优化3个步骤对CFRP层进行质量寻优;考虑承载式CFRP层缠绕内衬钢管车架的制造工艺性,对CFRP层的优化结果进行调整以满足制造要求。优化后,承载式车架质量较原钢制车架质量减少了23%,且在满载弯曲、急刹车、急转弯和侧翻等极端工况下满足刚度和强度要求。     

某碳纤维机载电子机架设计及仿真分析

树脂基碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)作为一种高性能复合材料,与金属材料相比,具有比强度和比模量高、减振性能好等特点,在机载电子设备中的应用越来越广泛。文中针对机载环境条件特点,设计了一种碳纤维复合材料电子机架,提出了一种碳纤维铺层设计方法,采用ANSYS软件进行了力学仿真分析,并利用ANSYS Composite PrepPost(ACP)工具基于蔡-吴失效准则计算了铺层失效系数,较好地验证了该设计方法。该设计方法对同类电子机架结构设计具有一定的指导意义。