碳纤维制品模压成型及有限元分析硕士论文

硕士学位论文碳纤维复合材料制品模压成型及其有限元分析Mould Forming of Carbon Fibre-Reinforced Composite Products and Finite Element Analysis作 者：王贵彬导 师：舒小平 教授中国矿业大学2013年4月学位论文使用授权声明本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理：作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部分使用权，即：学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）。作者签名： 导师签名：年 月 日 年 月 日中图分类号 TH12 学校代码 10290 UDC 621 密 级 公开 中国矿业大学硕士学位论文碳纤维复合材料制品模压成型及其有限元分析Mould Forming of Carbon Fibre-Reinforced Composite Products and Finite Element Analysis作 者 王贵彬 导 师 舒小平 申请学位 工程硕士专业学位 培养单位 机电学院 学科专业 机械工程 研究方向 复合材料产品设计与制造 答辩委员会主席 肖兴明 评 阅 人 二一三年四月论文审阅认定书研究生 王贵彬 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年 月 日致 谢本文是在我的导师舒小平教授的悉心指导下完成的。在师从舒小平教授的三年中，他严谨的治学态度，忘我的工作精神深深地影响着我。而且在生活上对我也是无微不至的关心和足够的耐心。在学术上，舒老师的教学治学态度使我由衷的敬佩，在给我们上课期间，他总把每节课的教案准备的很充分，把一些很难理解的理论，由浅入深地让每个学生都能接受。舒老师除去教学和行政工作以外，大部分时间都用于学术研究和指导学生。在这三年里，舒老师教给我的做人做事方法，使我受益匪浅，也将影响我的将来。从论文选题到论文撰写中的每一环节都得到舒老师的精心指导和热情关怀，舒老师学术上严谨务实的工作作风，科学熟练的治学方法，渊博厚实的学科知识，使我无比的崇敬。在此，谨向我的导师舒小平教授表示衷心的感谢。同时，非常感谢我的另一位企业导师江飞舟副教授在研究方向和专业技术上给予的悉心指导，为我提供了优越的专业实践条件，让我融入了工程经验丰富的技术团队，获得了宝贵的产品研发的锻炼机会。在我研究和论文撰写期间，机电学院各位老师也给予我很大帮助和指点，感谢乔斌教授，葛藤博士，韩加好博士，刘竹帆、乔凯、董炎峰等同学，以及负责我们在校期间生活和学习的各位领导和老师们。最后，衷心感谢我的家人在我读研期间给予各方面的支持和鼓励。摘 要本文针对某运动器材的碳纤维复合材料加固件，进行产品设计和成型模具开发。鉴于纤维复合材料属于热固性材料，本项目采用模压成型工艺。将碳纤维复合材料毛坯料进行预热软化，然后将毛坯置入模腔内合模。将模具加热使制品固化成型，然后冷却开模、脱模，最终得到碳纤维复合材料制品。在设计模具时，利用逆向设计方法进行模具设计，模具型芯采用组合块式，便于开模。参数选择方面，计算了模 腔 内 的 压 力 、锁 模 力 等 关 键 参 数 ，使模具材料的选择、精度、服役寿命等方面达到理想的效果。碳纤维层合复合材料层板是由单层纤维布压制而成，各层铺设角度和铺设顺序会影响制品的承载能力。基于层合板壳的经典理论，选择薄板有限单元，借助于ANSYS软件，对制品使用中的峰值载荷进行多参数分析，选择更有利于制品结构特征的铺层方式。对制品模压成型过程也进行了有限元分析，确保碳纤维复合材料制品在模腔内均匀受载，通过选择铺层方式降低应力峰值，防止制品出现损伤。通过这些计算和分析，为复合材料产品设计和模具设计提供设计依据。 该论文有图81个，表7个，参考文献 55篇。 关键词：碳纤维复合材料；层板；模压成型；模具；有限元；强度AbstractDesign of carbon composite reinforced parts in some sport equipment and their mould development are made. Since composites are thermoset, the technology of mould forming is adopted. A carbon composite blank is heat and soften in advance, then is put in mould cavity and the mould is clamped. The mould is heat and the blank is solidfied and formed. When the mould is cooled and unfolded，the whole process of the carbon composite product is finished. Reversal design technique is used to design mould. The combined mould cores are chosen to make mould unfolded easily. Some key parameters, such as the pressure in mould cavity and mould clamping force, are calculated. Desired effects in the material choice, precision and service life of moulds are reached. A carbon composite laminate is made of many layers. The angles and order of layers affect carrying capacity of structures. Based on the classical theory of laminated plates and shells, using a finite element of thin shells in ANSYS software, the stuctrue is analysed with many parameters under peak loads. The optimized ply-up scheme suitable to stuctural features is determined. Mould forming of prodcuts is also simulated by finite element method. The carbon composite product in mould cavity is subjected to uniform loads. The peak value of stress is reduced to prevent damage. Design references for design of composite products and their moulds are obtained through numerical calculation and analysis.There are 81 figures, 7 tables and 55 references in the thesis. Keywords: Carbon Fibre-Reinforced Plastics; laminate; Mould forming; mould; Finte Element; Strength目 录摘要 目录 图清单 表清单 变量注释表 1 绪论 11.1 课题背景及意义 11.2 国内外研究现状 31.3 研究方法 41.4 论文的研究内容 41.5 论文结构 52 复合材料结构及其力学性质 62.1 复合材料分类 62.2 复合材料的特性 72.3 复合材料层合板铺层设计 92.4 经典层合板壳理论 102.5 复合材料强度准则 152.6 复合材料制品模压成型时载荷分析 173 碳纤维复合材料制品成型模具设计 203.1 制品成型工艺特征 203.2 模具设计 213.3 模具装配与工艺 263.4模具设计参数 274复合材料有限元分析及ANSYS应用 304.1有限元分析步骤 304.2 ANSYS在复合材料分析中的应用 314.3复合材料分析示例 335基于ANSYS复合材料制品成型分析 385.1单元选择 385.2 导入分析模型 395.3 参数选择与约束处理 405.4 铺层设计对制品强度的影响 406基于ANSYS复合材料制品应用分析 466.1复合材料制品受载情况 466.2有限元参数选择与约束处理 476.3四种铺层方式分析结果比较 497总结与展望 557.1总结 557.2展望 55参考文献 58作者简历 60学位论文原创性声明 61学位论文数据集 62ContantsAbstract Contents List of Figures List of Tables List of Variables 1 Introduction 11.1 Background and Significance 11.2 Research Status at Home and Abroad 31.3 Research Methods 41.4 Research Contents 41.5 Paper Frame 52 Composite material and mechanical structure analysis 62.1 Classification of Composite Material 62.2 Composited Material Characteristics 72.3 Composite Laminate Ply Design 92.4 The Classical Theory of Laminated Plate 102.5 The Strength Criterion of Composite 152.6 Analysis of Products Load 173 Mould Design of Carbon Fibre Composite Products 203.1 Forming Technic Characteristics 203.2 Mould design 213.3 Mould Assembly and Technic 263.4 Parameters Design 274 FEA of Composites and the Application of ANSYS 304.1 The Steps of FEA 304.2 Application of ANSYS in Composite Analysis 314.3 The Sample of Composite Analysis 335 FEA on Mould Forming of Composite Products Using ANSYS 385.1 Choice of Element Types 385.2 Model Importing 395.3 Choice of Parameters and Constraint Dispose 405.4 The Effects of Layer Design on Product Strength 406 FEA of Composite Products under Sport Loads Using ANSYS 466.1The Loads at Composite Products 466.2 Parameters Choice and Constr- aint Handling in Finite Element 476.3 Response Comparison of Four Ply-up Laminates 497 Conclusions and Prospections 557.1 Conclusion 557.2 Prospections 55References 58Authors Resume 60Declaration of Thesis Originality 61Thesis Date Collection 62图清单图序号 图名称 页码图2-1 常用复合材料按基体类型分类 7Figure2-1 Classification of common composites by matrix types 7图2-2 复合材按增料强体形式分类 7Figure2-2 The classification of composites by reinforceed bodies 7图2-3 复合材料结构设计过程 9Figure2-3 Design process of composite structures 9图2-4 几种常见的复合材料层合板铺层方式 9Figure2-4 Several ply-up schemes of composite laminates 9图2-5 层板几何图形 10Figure2-5 Geometry of a laminate 10图2-6 坐标系 11Figure2-6 Coordinate system 11图2-7 两种坐标之间的关系 12Figure2-7 The relation between two kinds of coordinates 12图2-8 各层界面坐标 zi 14Figure2-8 zi coordinate at interfaces 14图2-9 复合材料几项基本强度 15Figure2-9 Several basic strengths of the composites 15图2-10 复合材料各应力分量 16Figure2-10 Stress components 16图2-11 模具装配结构图 17Figure2-11 The mould assembly structure 17图2-12 坯料在模腔内的内载情况 18Figure2-12 Pressure at parts in the cavity 18图3-1 碳纤维复合材料制品几何结构 19Figure3-1 The shape of product 19图3-2 组合块式凸模 22Figure3-2 Assemble block punch 22图3-3 整体式凹模 22Figure3-3 Entirety die 22图3-4 模具脱模顶出机构 22Figure3-4 Demoulding mechanism 22图3-5 顶出机构三维效果图 22Figure3-5 3D graph of demoulding mechanism 22图3-6 型芯嵌板 23Figure3-6 Core panel 23图3-7 型芯 24Figure3-7 Punch 24图3-8 顶板 24Figure3-8 Butt plate 24图3-9 脱模机构 24Figure3-9 Demoulding mechanism 24图3-10 整体双腔凹模 24Figure3-10 Dual-chamber mould 24图3-11 压制曲面效果 24Figure3-11 Curved surface effect 24图3-12 组合块型芯 25Figure3-12 Assemble block punch 25图4-1 有限元分析流程图 31Figure4-1 The finite element analysis flow-process diagram 31图4-2 Shell91单元结构形式 32Figure4-2 Shell91 element structure 32图4-3 正交层合板结构 33Figure4-3 Orthotropic laminates structure 33图4-4 有限元模型 35Figure4-4 The finite element model 35图4-5 材料铺层方式 35Figure4-5 The layer structure 35图4-6 层合板沿X坐标方向的应力情况 36Figure4-6 Laminated plates along the X-direction stress 36图5-1 SOLID46 层单元结构 38