摘 要

随着我国对交通工具运力和效率要求的不断提高，交通系统的能耗持续增加，节能问题成为了当前研究热点，交通工具轻量化是实现节约能源的主要途径，其中碳纤维复合材料因为其刚度强、质量轻的优异特点，成为发展节能交通系统的重要备选材料之一。

本文设计了一款用以解决舰艇、高铁与飞机等交通工具电器设备安装箱体问题的碳纤维复合材料台式框架结构。概述了碳纤维复合材料快速成型工艺（CFRT）性能特点及交通领域的使用情况，设计过程中，综合考虑了使用环境、功能实现、人机工程、碳纤维材料特性、加工工艺与注塑成型方案等设计要求，运用CATIA软件创建并装配了三维模型。阐述了有限单元法的基本原理，并依据理论通过ABAQUS数值模拟软件，依照实验条件要求对模型进行了复杂工况下的有限元分析，具体包括模态分析与冲击试验分析，给出了框架结构应力分布规律，并根据分析结果，对台式框架进行了设计方案与几何形状的优化。结构优化效果明显，解决了应力集中问题，本设计完成了预定的要求，达到台式框架结构减重的同时，扩大了碳纤维复合材料的使用领域，为交通系统的更新换代与新型碳纤维复合材料的使用提供了新思路。

关键词：碳纤维；台架结构；复合材料；有限元分析

Abstract

As China's demand for transportation capacity and efficiency continues to increase, the energy consumption of the transportation system continues to increase, and the issue of energy conservation has become a hot topic of research. At present, the lightweight of transportation is the main way to realize energy saving and emission reduction. Carbon fiber composite materials have become one of the main candidate materials for energy saving and emission reduction because of their high strength and low density.

In this paper, a carbon fiber composite table frame structure is designed to solve the problem of installing cabinets for vehicles, high-speed rails, and airplanes. The performance characteristics of carbon fiber composite rapid prototyping technology(CFRT) and its application in the transportation field are been discussed. In the design process, the use environment, function implementation, ergonomics, carbon fiber material properties, processing technology and injection molding program are taken into consideration and using CATIA to establish and assemble 3D models. The basic principle of the finite element method is discussed. Based on the theory, the ABAQUS numerical simulation software is used to perform the finite element analysis of the model under complex conditions according to experimental conditions. The analysis includes modal analysis and impact test, and then giving the frame structure and the stress distribution. According to the analysis result the design of the design and geometry of the desktop frame have been optimized. The structural optimization effect is obvious, and the stress concentration problem is solved. The design has completed the predetermined requirements, and the lightweight design of the desktop frame structure is realized. At the same time, the application range of the carbon fiber composite material is expanded, and provides new ideas for the development of the transportation system and the application of the new carbon fiber composite material.

Keywords: carbon fiber; platform structure; composite material; finite element analysis

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 背景简介 1

1.2 CFRP碳纤维复合材料的性能及应用 1

1.2.1 CFRP碳纤维复合材料成型工艺 1

1.2.2 CFRP碳纤维复合材料性能特点 1

1.2.3 CFRP复合材料在交通系统的应用 2

1.3 碳纤维台式框架结构实验测试条件简介 2

第2章 碳纤维台式框架结构设计及建模 5

2.1 台式框架结构的构思与设计 5

2.1.1 外型的选取 5

2.1.2 内部空间的分布 5

2.1.3 支撑结构的设计 6

2.2 支撑结构受力情况分析与紧固件设计 6

2.2.1 冲击试验条件等效换算 7

2.2.2 支撑结构件压应力校核 7

2.2.3 螺栓设计 9

2.3 基于碳纤维复合材料的优化与成型方案 9

2.4 台式框架结构建模 10

2.4.1 零部件建模 10

2.4.2 零部件装配 12

2.4.3 紧固件 13

2.5 设计小结 14

第3章 台式框架结构复杂工况下模态及应力分析 15

3.1 有限单元法概述 15

3.1.1 有限元理论基本原理 15

3.1.2 有限单元法公式简介 15

3.2 台式框架结构模态及应力分析基本流程 16

3.3 ABAQUS操作过程及注意事项概述 16

3.3.1 模型的简化、导入与创建材料 17

3.3.2 装配与相互作用的创建 19

3.3.3 网格的划分与优化 20

3.3.4 分析作业的创建 24

3.4 计算结果分析 26

3.5 分析小结 33

第4章 碳纤维复合材料台式框架结构的优化 34

4.1 设计结构的优化 34

4.2 几何形状优化 36

4.3 结构优化应力分析 37

4.4 结构优化小结 38

第5章 总结与展望 39

5.1 总结 39

5.2 展望 39

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1.1 背景简介

随着节能指标继续提高，以及碳纤维材料的不断发展，目前将这种优良的新型材料用于各式交通系统已经成为了可能^[1]。采用轻质复合材料代替部分低密度合金或铁质构件能够在显著降低交通装备重量的同时，保持强度与刚度，具备较好的使用前景^[2]。本设计基于某舰艇火控系统控制试验台。在铝制结构的基础上，以碳纤维材料为基材，设计一种适用于各式舰船、轨道交通、飞机的可替代传统铝制结构的新型碳纤维复合材料台式框架结构。作为各种电子设备，检测设备等外壳，在保证结构安全的同时完成节能的目标。

1.2 CFRP碳纤维复合材料的性能及应用

1.2.1 CFRP碳纤维复合材料成型工艺

作为21世纪重要发展方向的轻量化材料，碳纤维已经大量运用于各种不同领域^[3]。伴随着近年来复合材料应用领域日益广泛，不断有新的制造方法涌现，为最大限度发挥CFRP特性，国内外的主要汽车公司综合车体零件设计多变、厚度变化多、复杂情况差异明显的具体特性，在现存基本复合材料生产方法基础上着重研制出多种各具特色的新型制造方法^[4]。目前，汽车工业领域最具应用潜力的制造方案包括快速RTM成型工艺、预浸料快速模压成型工艺PCM和长纤维增强热塑性树脂复合材料LFT等^[5]。

1.2.2 CFRP碳纤维复合材料性能特点

作为优质的减重材料，CFRP碳纤维有着如下多个特点：在质量相当的条件下有着更高的强度和刚度、抵抗与缓和碰撞的能力强、抗酸碱环境的性质好等^[6]。依据相同刚度的规则设计的零件，碳纤维构件比钢制构件变轻至少，比轻质合金构建重量变轻幅度达，同时较高的加工自由度可辅助整体设计降低装配构件个数^[7]。复合材料有良好的抵御腐蚀侵蚀的能力，部分结构发生磨损也不会产生锈蚀^[8]。碳纤维的韧性高，并能通过破碎吸能的方式，减弱和缓冲较多的撞击能量^[9]。因此可根据材料成分比例的调整，层数与取向等的合理安排来取得所要的特性和加工性质，结构的设计灵活性很高^[10]。复合材料具备的单位密度的弹性模量较高，因此碳纤维自身的固有频率数值较大，不易发生共振情况。复合材料的纤维和注塑交界处的相互作用也产生显著的阻尼效应，有利于缓冲振动，使振动快速停止^[11]。但复合材料与合金相比，不论是在原料、技术的改进还是在零件设计方面都更为困难，因此对复合材料的研究员和零部件设计员的标准也更高^[9]。

1.2.3 CFRP复合材料在交通系统的应用

最近五年随着成型方案的的进步以及碳纤维价格的降低，跨国车企均提高了复合材料在其产品中的使用占比^[12]。主要用来生产防撞梁、顶棚、翼子板、车门等部件，目前国际上的大型汽车公司都在专门研究汽车使用的，将其运用于车轮、储气罐、汽车A、B柱、承载式结构、仪表盘、引擎盖等部分。在不远的将来会成为交通系统减重的重要材料^[13]。在轨道交通方面复合材料已有在列车车身与转向架上运用的先例，为基础的列车内装置和隔板也在研制中，在不远的将来将发挥巨大作用^[2]。

1.3 碳纤维台式框架结构实验测试条件简介

本设计希望设计一种适用范围广、可靠性高的碳纤维复合材料台式框架结构，且能适应原设备所处工作环境。其实验测试条件本身与原设计相同采用

中对舰上设备的实验要求作为实验测试标准。