摘 要

Abstract V

第1章 绪论 1

1.1 论文的研究背景及意义 1

1.2 国内外现状分析 2

1.3 论文的研究目标和内容 3

第2章 基于ABAQUS的CFRP矩形截面梁的有限元变形分析 5

2.1 矩形截面梁有限元模型 5

2.2 加载与位移量求解 9

2.3 碳纤维矩形截面梁载荷处位移量结果及分析 10

2.3.1 位移提取方法 10

2.3.2 加载处位移量计算与分析 10

2.4 本章小结 11

第3章 CFRP矩形截面梁刚度测试实验 12

3.1 实验目的 12

3.2 实验试样 12

3.3 实验设备与条件设定 13

3.4 实验位移量测试结果 13

3.5 位移量实验结果与理论结果对比分析 15

3.6 本章小结 17

第4章 CFRP矩形截面梁刚度分析 18

4.1 矩形截面梁应变与刚度关系 18

4.2 不同铺层方案截面梁刚度分析 18

4.3 结论 19

第5章 总结及展望 20

5.1 总结 20

5.2 展望 20

参考文献 22

致谢 23

摘　　要

CFRP复合材料矩形截面梁的刚度性能不仅取决于单层板的纤维性能与基体材料，还与单层板的铺层方式密切相关。本文借助有限元分析软件ABAQUS对CFRP矩形截面梁试样建立了三维模型，通过三点加载法对试样进行了载荷添加，得出了不同铺层方式的试样在三点加载下载荷作用位置的模拟位移量。并使用DNS100万能试验机对不同铺层的CFRP矩形截面梁实体试件的进行加载实验，得出了五种铺层方案的试样载荷作用位置的实际位移量，并与仿真结果进行对比和误差分析，验证仿真模型和仿真方法的正确性。最后，通过分析测量矩形截面梁下表面的应变量，计算得到了不同铺层方案的试样的仿真刚度值。结论：试样的刚度与0°铺层的含量成正比。

关键词： 复合材料；矩形截面梁；CFRP；刚度；铺层参数

Abstract

The stiffness of the Carbon Fiber rectangular section beam not only depends on the fiber properties of the single layer and the base materials, but also closely related to the paving method of the layers. In this paper, a beam model is established by using finite element analysis software ABAQUS to simulate the three points loading process and make out the simulated displacement in the loading positions of the beams with different layer paving methods. Then the same displacement was messed on the DNS100 electronic universal testing machine with 5 real beams to compare with the simulated displacement in order to verify the model and simulating method. Finally the simulated stiffness of the 5 beams was made out by measuring the strain on the lower surface of these beams. The conclusion is that, the stiffness of the CFRP beam is proportional to the 0° layers.

Key Words: Laminates; Beam; Carbon Fiber; Stiffness; Layer

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景及意义

CFRP是碳纤维增强复合材料的英文缩写，是一种以碳纤维作为承载材料的复合材料，凭借着其极高的比刚度和比强度可设计性以及抗疲劳、抗冲击等优良性能在当今材料科技发展的最前端占据了一席之地。广泛地应用在船舶、汽车和航空航天等领域里。

在复合材料层合板设计过程中，可以通过改变外部的结构和尺寸满足不同的设计要求。此外，改变层合板内部结构同样可以影响层合板整体的性能。层合板的实质是由单层板粘接而成的，其结构性能不仅仅取决于单层板纤维含量(纤维所占的体积分数)和纤维本身的性能，还取决于单层纤维在面内的铺层分布方式(单层板的层数、各层的厚度以及铺设角度)。因此改变铺层方式可以优化材料的承载性能。

层合板在承受负载时，其中起到主要承载作用的是内部的纤维材料。只有合理的布置纤维的分布方向和角度，找到最佳的铺层方案，才能够最大化的提高材料的承载能力，发掘复合材料的最大潜能。为了追求产品的优化效益和经济最大化，纤维含量和铺层方式都已经成为了复合材料的设计过程中的重要参数。复合材料层合板由复合材料单层板粘接而成的，单层板指的是单层的复合材料板、或者是几层材料相同，主方向相同的单层版复合粘结而成的层合板^[1]。

在工艺方面，复合材料层合板的特殊制造原理决定了它具有十分好的造型性能，相比于其他的金属材料和非金属材料，只需改变制造过程中使用的模型形状就可以制造出复杂的零件结构，因此适用于难以进行加工的复杂构件的制造。

在力学性能方面，纤维方向的拉伸模量非常高，而垂直纤维方向的模量相对于纤维方向很低，因此为了更加充分的发挥纤维材料的优良性能，需要将纤维按照不同的角度进行铺设，使得各个方向都能有纤维承担负载，提升整体构件的不同方向的刚度、强度等力学性能。常见的纤维材料主要有玻璃纤维、CFRP、硼纤维。其中CFRP凭借着其较为低廉的成本和优良的性能应用最为广泛。

在化学性能方面，由于CFRP的主要成分碳元素是一种性能稳定的非金属元素，不易发生化学反应，因此CFRP材料的抗腐蚀性能，耐热性能，都十分优越。

因此使用CFRP作为纤维材料制成的复合材料层合板具有极高的比刚度、比强度、抗疲劳性能同时耐腐蚀、耐高温。这就是CFRP复合材料成为全世界研究热点和尖端科技所青睐的材料的根本原因。其中比较成熟的应用领域主要有：航空航天(飞机、卫星、飞船火箭等)、体育用品(网球拍、自行车、鱼竿、滑雪板等)、工程建筑(CFRP混凝土梁、CFRP木梁等)、武器装备(导弹壳体)等，因此，各行各业对CFRP复合材料性能的进一步发展都有很大的需要和期望。

再者使用CFRP复合材料有利于节能减排，在社会告诉发展的今天，经济的增长和自动化的发展带来了不可避免的环境污染和资源的过度使用，人们在享受汽车等交通工具带来的便利的同时也忍受着尾气带来的空气环境影响和过度开采石油带来的能源危机。在过去几年，雾霾再一次成为媒体和公众的关注焦点。人们对于雾霾天气逐渐习以为常，尤其是在北京河北等地，出现雾霾天气的时间甚至超过了全年的三分之一。空气质量的不断下降，和全年呼吸道疾病发病率的升高，让人们看到了PM2.5的危害，而汽车尾气所排放出的PM2.5就已经超过了总量的五分之一^[2]。报道指出，我国汽车保有量已经达到了1.63亿辆，相当于每两家人就拥有一辆汽车^[3]。轿车自身质量的下降对于节省燃油和降低尾气排放均有重要意义^[4]。不仅仅是汽车行业，在各行各业中降低自重和提升比刚度都具有十分客观的经济效应和减排效果。