碳纤维复合材料机械臂结构设计与性能优势研究

对碳纤维复合材料机械臂的结构设计与铺层优化情况进行分析,总结出高分子复合材料在传统机械臂金属材料替代领域的性能优势与价值,认为在满足同等机械臂力学强度和刚度条件下,碳纤维复合材料能够有效降低超过90%的机械臂自重,且变臂厚铺层方案能够获得最为理想的机械臂结构。碳纤维复合材料的应用,对现代机械臂的轻量化设计大有裨益。     

基于光纤光栅的CFRP箱形梁抗弯刚度实验研究

复合材料因其高的比强度和比刚度等优异特性,在飞机结构上的应用越来越广泛。碳纤维复合材料(CFRP)箱形梁既有箱形截面惯性矩大、抗扭性能好的特点,又能发挥复合材料轻质高强、可设计性强的优势,作为承载结构具有重要的应用价值。本文通过三点弯曲实验,采用光纤光栅传感器,获得了0°比例不同的5种铺层方案的CFRP箱形梁的抗弯刚度,并与理论和仿真值进行对比,结果表明:0°比例越高,CFRP箱形梁抗弯刚度越大;在Abaqus里对CFRP箱形梁三点弯曲过程的仿真分析是合理可靠的,应用有限元仿真分析对复合材料箱形梁基于抗弯刚度的设计优化是可信的。     

基于协同优化的CFRP层合板设计

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板是碳纤维复合材料产品设计过程中常用的一种结构形式,其弹性性质很大程度依赖于铺层方式和芯材厚度。基于经典层合板理论,提出了多层次协同优化的方法,利用Matlab数学软件寻优求解和Abaqus有限元软件模拟仿真的方法对层合板进行优化设计,最后通过物理实验对层合板优化结果进行分析验证。结果表明,增加铝蜂窝夹芯厚度可以大幅提升层合板弯曲刚度,有效减少碳纤维层的铺层数,降低制造成本;将0°层尽可能置于远离中面的位置可在不改变层合板质量的同时有效提升层合板弯曲刚度,使材料利用率达到最大化。     

对在层合板最大强度计算中刚度退化的探讨

本文讨论了纤维增强复合材料层合板在发生有铺层失效后的刚度变化情况,引入了刚度退化系数的概念,并将由此计算得到的层合板在发生有铺层失效后的刚度和强度与实验值作了比较。实验发现,用刚度退化系数来研究复合材料层合板在有铺层失效后的刚度变化情况是可行的。     

基于Optistruct的碳纤维复合材料包装箱结构优化设计

本文基于Optistruct结构优化技术,采用碳纤维复合材料进行了某特种包装箱的结构设计。结合包装箱结构设计的技术指标要求,提出了多阶段的优化设计方法。多阶段优化设计包括形貌优化、尺寸优化和铺层优化。在箱体的概念设计阶段,通过形貌优化获得了满足箱体刚度的加筋结构;针对基于铺层的碳纤维复合材料的可设计性能,在箱体的细节设计阶段,通过尺寸优化和铺层优化分别获得了复合材料各个铺层角度的最佳铺层厚度尺寸和复合材料箱体的最佳铺层方式。最终,通过有限元数值分析验算,结构设计的结果满足设计要求。     

碳纤维复合材料圆梁弯曲振动有限元分析

碳纤维复合材料圆梁作为片状物料传送的旋转部件使用时,对其承载强度、刚度以及振动性能的要求一直较为严格。本文在结合材料力学和经典层合理论的基础上,利用ANSYS有限元软件建立三维圆梁模型,对碳纤维复合材料圆梁在定载荷下的弯曲和振动进行模拟。结果表明:纤维小角度铺层能提高圆梁的抗弯刚度,在考虑自重的定载荷条件下,壁厚变化与重力方向最大变形之间存在临界值;通过分析梁的振动模态,提取前6阶振动频率与振型,可知碳复合材料圆梁具有较强的抗振能力。     

基于热稳定及等弯曲刚度的碳纤维层合板铺层设计与优化

针对碳纤维复合材料反射镜特殊应用,从热稳定性以及弯曲刚度均匀性两方面,对层合板进行铺层设计与优化。最终优化的16层铺层设计[22.5 90-45-22.5 67.5-67.5 0 45]s弯曲刚度均匀性最好,同时具有优异的热稳定性。该铺层设计为高精度、高热稳定性碳纤维层合面板研制提供参考,特别适合于变形镜的铺层设计应用。     

碳纤维复合材料引擎盖刚度的有限元分析

本文采用ABAQUS有限元分析软件建立了碳纤维复合材料引擎盖模型,在弯曲、侧向弯曲和扭转三种工况下,将引擎盖弯曲刚度、侧向弯曲刚度、扭转刚度的计算结果与实验进行比较,验证了有限元模型的有效性。利用模型分析了铺层方式对引擎盖刚度的影响,发现[±45°]铺层能得到最佳的刚度。将正交实验设计和有限元分析相结合,分析了复合材料单层板四个工程常数E1、E2、ν12和G12对引擎盖刚度的影响,发现面内剪切模量G12是影响引擎盖刚度的主要因素,泊松比ν12对引擎盖刚度没有显著规律。     

薄铺层层合复合材料研究进展

简要介绍了碳纤维薄层预浸料及其制备的层合复合材料,主要阐述碳纤维薄层预浸料的制备方法和薄铺层复合材料的力学性能特点。对国内外关于薄铺层复合材料与常规铺层复合材料的静态、韧性和疲劳等力学性能的研究进展进行了分析和总结,归纳了铺层厚度的减薄对层合复合材料力学性能的影响规律。最后对薄铺层复合材料的研究趋势和应用前景进行了展望。     

薄壁内衬复合材料发射筒结构设计与缠绕工艺研究

为了探究碳纤维增强复合材料在单兵筒式武器设计中的应用,开展了薄壁内衬碳纤维增强复合材料发射筒结构设计和工艺技术研究。首先,基于弹性理论和网格理论分别建立薄壁内衬层和碳纤维增强层厚度计算模型;其次,基于纤维增强复合材料损伤过程,分析了复合材料筒身的失效形式,讨论了采用不区分失效形式的Tsai-Wu强度准则和区分失效形式的Hashin强度准则的作用影响;最后,阐述了复合材料发射筒的缠绕工艺流程,重点分析了铺层方式和缠绕张力对纤维缠绕工艺的影响。研究结果可以为复合材料发射筒以及纤维增强复合材料圆筒结构的设计和加工提供参考。     

船用复合材料轴系的设计研究

本文以典型船用碳纤维增强树脂基复合材料轴系的设计为例,开展了碳纤维复合材料轴系总体设计、碳纤维复合材料传动元件结构设计等研究工作。研究结果表明,在本文具体设计实例中,碳纤维复合材料轴系相比传统钢质轴系可实现减重57%以上。碳纤维轴和联轴器厚度越小补偿反力越小,±45°铺层时轴和联轴器的传扭能力最强;为减小补偿反力,联轴器应选择较小或较大的铺层角;为避免较大挠度,碳纤维轴应选择较小的铺层角度。本文研究结果为复合材料在船用动力系统上的应用奠定了一定的理论基础。     

格栅增强夹芯板弯曲刚度影响因素及规律研究

基于有限元仿真和实验,对格栅增强夹芯板弯曲刚度的影响因素及规律开展了研究。首先,针对格栅结构对夹芯板抗弯特性的影响进行仿真分析,认为格栅结构能够较为显著地提高夹芯板的抗弯刚度;其次,针对格栅增强夹芯板的蒙皮纤维铺层角度、格栅密度等几个重要参数对其弯曲刚度的影响进行仿真计算并对其规律进行分析;最后,通过实验验证了仿真的准确性。分析结果表明,夹芯板蒙皮纤维±45°铺设时夹芯板具有最优的抗弯刚度,且在格栅总体积即含筋量一定的情况下,一定范围内降低单层格栅的厚度以增加格栅的密度会大幅度提高夹芯板的抗弯刚度。     

碳纤维增强聚丙烯复合管道的制备及性能研究

采用熔融挤出法制备了添加不同相容剂的聚丙烯/碳纤维（PP/CF）复合材料管道,通过管道长期耐压试验装置、电子万能试验机、冲击试验机以及扫描电子显微镜等方法,探究了不同碳纤维含量和长度及不同相容剂对PP管道力学、纵向回缩率、爆破强度等性能的影响。结果表明,碳纤维填充后的PP降低了PP/CF复合管道材料的整体纵向回缩率,增强了管道的爆破强度;相容剂的添加显著提高了其力学性能。     

碳纤维复合材料矩形截面管抗弯性能研究

针对碳纤维复合材料矩形截面管的抗弯性能,设计了五种不同铺层方案的矩形截面管。应用有限元软件Abaqus对其三点弯曲进行了仿真分析;并通过粘贴光栅光纤传感器,应用万能试验机对实验件进行了三点弯曲实验。分别获得了仿真和实验相应载荷下矩形截面管下表面中间位置的应变值,进行一次拟合后获得相应的载荷-应变曲线,从而得出仿真和实验抗弯刚度值EI。通过对比,两者的结果具有很好的一致性。结果表明:0°比例越高,抗弯性能越好。     

碳纤维复合材料天线反射面的模态分析

从刚度设计的角度，对碳纤维复合材料（CFRP）天线反射面进行铺层设计，建立了15种纤维铺层方式的有限元模型，利用ANSYS对天线反射面进行模态分析，结果表明采用[90/45／0／一45／A]，对称铺层的蜂窝夹层板的固有频率最大。     

CFRP层合板力学性能影响因素研究

碳纤维增强复合材料是一种轻量化材料,在汽车工业具有广泛的应用前景。CFRP层合板作为碳纤维增强复合材料的一种常用形式,其力学性能与铺层设计息息相关。采用有限元仿真与物理实验相结合的方法,研究了碳纤维蒙皮与芯材对CFRP层合板力学性能的影响规律。结果表明,有限元仿真与三点弯曲实验结果吻合度较高;蒙皮对层合板性能的影响主要表现为:增加蒙皮厚度可减小层合板受载时的变形量,采用非对称铺层方式可提升层合板的承载能力;芯材对层合板性能的影响主要表现为,选用竖直方向上压缩强度高的铝蜂窝,并在一定范围内增加芯材厚度,可提高层合板的刚度。     

碳纤维复合材料迫击炮身管结构设计与缠绕工艺研究

纤维增强复合材料具有比刚度高、比强度大的轻量化优势,以及可设计性强、耐腐蚀性优、抗疲劳性好等显著特点,可作为武器装备轻量化设计的绝佳选材。在对迫击炮身管进行受力分析的基础上,提出了采用金属内衬外加碳纤维复合材料增强层的迫击炮复合身管双层结构,介绍了用于迫击炮复合身管加工的缠绕设备和缠绕工艺,基于实验结果,综合分析了碳纤维材料的选择、铺层顺序、纤维缠绕张力等工艺对迫击炮复合身管承压性能的影响,可为火炮复合材料身管以及复合材料承载圆筒的结构设计与加工提供参考。     

短碳纤维增强熔石英玻璃陶瓷复合材料力学性能(英文)

根据高温烧结短碳纤维增强熔石英玻璃陶瓷复合材料的工艺原理,建立了一个研究短碳纤维增强熔石英玻璃陶瓷复合材料性能的细观力学理论模型,该模型由熔石英基体、氮化硅颗粒和碳纤维增强相组成的多相复合体,并假设细观结构呈周期性均匀分布,采用二尺度展开法计算了复合材料的力学性能.得出了在不同烧结温度和短碳纤维增强相体积分数条件下,复合材料横向Young氏模量、Poisson比和剪切模量的变化曲线,其变化规律与实验数据吻合较好.研究表明:在烧结温度为1 400℃和短碳纤维增强相体积分数为30%时,复合材料的有效刚度系数,以及Young氏模量和剪切模量均随着碳纤维体积分数的增大先增大后减小;在碳纤维体积分数为30%时,上述各量取得最大值,此时复合材料具有最佳的力学性能.     

轻质碳纤维复合材料帆船桅杆的设计与制备

碳纤维复合材料与金属相比,具有重量轻、可设计性强等优点.本文目的是设计并制备轻质碳纤维复合材料桅杆.基于等刚度准则,对具有等壁厚、异型截面的中空碳纤维复合材料桅杆进行设计,并运用数值模拟技术对结构铺层进行优化.采用纤维铺放和缠绕工艺制备出长度为16m的大尺寸碳纤维复合材料帆船桅杆,与铝合金桅杆相比减重43.4%.在设计工况下,桅杆变形试验值与数值模拟结果相近.     

专利文摘

可控制热膨胀系数的碳纤维增强树脂基复合材料的制备方法本发明提供了可控制热膨胀系数的碳纤维增强树脂基复合材料的制备方法,该方法利用碳纤维的高强度、高模量、低密度的特点,在纤维的0°方向上具有负的热膨胀系数的重要特性。通过改变复合材料中碳纤维的铺层角度及纤维体积