碳纤维复合材料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MOULDFORMINGOFCARBONFIBREREINFORCEDCOMPOSITEPRODUCTSANDFINITEELEMENTANALYSIS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。致谢本文是在我的导师教授的悉心指导下完成的。在师从教授的三年中，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，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ABSTRACTDESIGNOFCARBONCOMPOSITEREINFORCEDPARTSINSOMESPORTEQUIPMENTANDTHEIRMOULDDEVELOPMENTAREMADESINCECOMPOSITESARETHERMOSET,THETECHNOLOGYOFMOULDFORMINGISADOPTEDACARBONCOMPOSITEBLANKISHEATANDSOFTENINADVANCE,THENISPUTINMOULDCAVITYANDTHEMOULDISCLAMPEDTHEMOULDISHEATANDTHEBLANKISSOLIDFIEDANDFORMEDWHENTHEMOULDISCOOLEDANDUNFOLDED，THEWHOLEPROCESSOFTHECARBONCOMPOSITEPRODUCTISFINISHEDREVERSALDESIGNTECHNIQUEISUSEDTODESIGNMOULDTHECOMBINEDMOULDCORESARECHOSENTOMAKEMOULDUNFOLDEDEASILYSOMEKEYPARAMETERS,SUCHASTHEPRESSUREINMOULDCAVITYANDMOULDCLAMPINGFORCE,ARECALCULATEDDESIREDEFFECTSINTHEMATERIALCHOICE,PRECISIONANDSERVICELIFEOFMOULDSAREREACHEDACARBONCOMPOSITELAMINATEISMADEOFMANYLAYERSTHEANGLESANDORDEROFLAYERSAFFECTCARRYINGCAPACITYOFSTRUCTURESBASEDONTHECLASSICALTHEORYOFLAMINATEDPLATESANDSHELLS,USINGAFINITEELEMENTOFTHINSHELLSINANSYSSOFTWARE,THESTUCTRUEISANALYSEDWITHMANYPARAMETERSUNDERPEAKLOADSTHEOPTIMIZEDPLYUPSCHEMESUITABLETOSTUCTURALFEATURESISDETERMINEDMOULDFORMINGOFPRODCUTSISALSOSIMULATEDBYFINITEELEMENTMETHODTHECARBONCOMPOSITEPRODUCTINMOULDCAVITYISSUBJECTEDTOUNIFORMLOADSTHEPEAKVALUEOFSTRESSISREDUCEDTOPREVENTDAMAGEDESIGNREFERENCESFORDESIGNOFCOMPOSITEPRODUCTSANDTHEIRMOULDSAREOBTAINEDTHROUGHNUMERICALCALCULATIONANDANALYSISTHEREARE81FIGURES,7TABLESAND55REFERENCESINTHETHESISKEYWORDSCARBONFIBREREINFORCEDPLASTICSLAMINATEMOULDFORMINGMOULDFINTEELEMENTSTRENGTH目录摘要目录图清单表清单变量注释表1绪论111课题背景及意义112国内外研究现状313研究方法414论文的研究内容415论文结构52复合材料结构及其力学性质621复合材料分类622复合材料的特性723复合材料层合板铺层设计924经典层合板壳理论1025复合材料强度准则1526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2031制品成型工艺特征2032模具设计2133模具装配与工艺2634模具设计参数274复合材料有限元分析及ANSYS应用3041有限元分析步骤3042ANSYS在复合材料分析中的应用3143复合材料分析示例335基于ANSYS复合材料制品成型分析3851单元选择3852导入分析模型3953参数选择与约束处理4054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4661复合材料制品受载情况4662有限元参数选择与约束处理4763四种铺层方式分析结果比较497总结与展望5571总结5572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62CONTANTSABSTRACTCONTENTSLISTOFFIGURESLISTOFTABLESLISTOFVARIABLES1INTRODUCTION111BACKGROUNDANDSIGNIFICANCE112RESEARCHSTATUSATHOMEANDABROAD313RESEARCHMETHODS414RESEARCHCONTENTS415PAPERFRAME52COMPOSITEMATERIALANDMECHANICALSTRUCTUREANALYSIS621CLASSIFICATIONOFCOMPOSITEMATERIAL622COMPOSITEDMATERIALCHARACTERISTICS723COMPOSITELAMINATEPLYDESIGN924THECLASSICALTHEORYOFLAMINATEDPLATE1025THESTRENGTHCRITERIONOFCOMPOSITE1526ANALYSISOFPRODUCTSLOAD173MOULDDESIGNOFCARBONFIBRECOMPOSITEPRODUCTS2031FORMINGTECHNICCHARACTERISTICS2032MOULDDESIGN2133MOULDASSEMBLYANDTECHNIC2634PARAMETERSDESIGN274FEAOFCOMPOSITESANDTHEAPPLICATIONOFANSYS3041THESTEPSOFFEA3042APPLICATIONOFANSYSINCOMPOSITEANALYSIS3143THESAMPLEOFCOMPOSITEANALYSIS335FEAONMOULDFORMINGOFCOMPOSITEPRODUCTSUSINGANSYS3851CHOICEOFELEMENTTYPES3852MODELIMPORTING3953CHOICEOFPARAMETERSANDCONSTRAINTDISPOSE4054THEEFFECTSOFLAYERDESIGNONPRODUCTSTRENGTH406FEAOFCOMPOSITEPRODUCTSUNDERSPORTLOADSUSINGANSYS4661THELOADSATCOMPOSITEPRODUCTS4662PARAMETERSCHOICEANDCONSTRAINTHANDLINGINFINITEELEMENT4763RESPONSECOMPARISONOFFOURPLYUPLAMINATES497CONCLUSIONSANDPROSPECTIONS5571CONCLUSION5572PROSPECTIONS55REFERENCES58AUTHORSRESUME60DECLARATIONOFTHESISORIGINALITY61THESISDATECOLLECTION62图清单图序号图名称页码图21常用复合材料按基体类型分类7FIGURE21CLASSIFICATIONOFCOMMONCOMPOSITESBYMATRIXTYPES7图22复合材按增料强体形式分类7FIGURE22THECLASSIFICATIONOFCOMPOSITESBYREINFORCEED7BODIES图23复合材料结构设计过程9FIGURE23DESIGNPROCESSOFCOMPOSITESTRUCTURES9图24几种常见的复合材料层合板铺层方式9FIGURE24SEVERALPLYUPSCHEMESOFCOMPOSITELAMINATES9图25层板几何图形10FIGURE25GEOMETRYOFALAMINATE10图26坐标系11FIGURE26COORDINATESYSTEM11图27两种坐标之间的关系12FIGURE27THERELATIONBETWEENTWOKINDSOFCOORDINATES12图28各层界面坐标ZI14FIGURE28ZICOORDINATEATINTERFACES14图29复合材料几项基本强度15FIGURE29SEVERALBASICSTRENGTHSOFTHECOMPOSITES15图210复合材料各应力分量16FIGURE210STRESSCOMPONENTS16图211模具装配结构图17FIGURE211THEMOULDASSEMBLYSTRUCTURE17图212坯料在模腔内的内载情况18FIGURE212PRESSUREATPARTSINTHECAVITY18图31碳纤维复合材料制品几何结构19FIGURE31THESHAPEOFPRODUCT19图32组合块式凸模22FIGURE32ASSEMBLEBLOCKPUNCH22图33整体式凹模22FIGURE33ENTIRETYDIE22图34模具脱模顶出机构22FIGURE34DEMOULDINGMECHANISM22图35顶出机构三维效果图22FIGURE353DGRAPHOFDEMOULDINGMECHANISM22图36型芯嵌板23FIGURE36COREPANEL23图37型芯24FIGURE37PUNCH24图38顶板24FIGURE38BUTTPLATE24图39脱模机构24FIGURE39DEMOULDINGMECHANISM24图310整体双腔凹模24FIGURE310DUALCHAMBERMOULD24图311压制曲面效果24FIGURE311CURVEDSURFACEEFFECT24图312组合块型芯25FIGURE312ASSEMBLEBLOCKPUNCH25图41有限元分析流程图31FIGURE41THEFINITEELEMENTANALYSISFLOWPROCESSDIAGRAM31图42SHELL91单元结构形式32FIGURE42SHELL91ELEMENTSTRUCTURE32图43正交层合板结构33FIGURE43ORTHOTROPICLAMINATESSTRUCTURE33图44有限元模型35FIGURE44THEFINITEELEMENTMODEL35图45材料铺层方式35FIGURE45THELAYERSTRUCTURE35图46层合板沿X坐标方向的应力情况36FIGURE46LAMINATEDPLATESALONGTHEXDIRECTIONSTRESS36图51SOLID46层单元结构38FIGURE51SOLID46LAYERELEMENTSTRUCTURE38图52有限元网格38FIGURE52FINITEELEMENTGRIDS38图53实体结构38FIGURE53SOLIDSTRUCTURE38图54（0/90/0）铺层39FIGURE540/90/0PLYUP39图55模型单元网格39FIGURE55ELEMENTGRIDS39图56（0/90/0）MISES应力40FIGURE56FIGURE56MISESSTRESSIN（0/90/040图57剪应力XY40FIGURE57SHEARSTRESSXY40图58剪应力YZ40FIGURE58SHEARSTRESSYZ40图59剪应力XZ40FIGURE59SHEARSTRESSXZ40图5100/45/45/0MISES应力41FIGURE510MISESSTRESSIN0/45/45/041图511剪应力XY41FIGURE511SHEARSTRESSXY41图512剪应力YZ41FIGURE512SHEARSTRESSYZ41图513剪应力XZ41FIGURE513SHEARSTRESSXZ41图514（0/0/0）MISES应力42FIGURE514MISESSTRESS（0，0，0）42图515剪应力XY42FIGURE515SHEARSTRESSXY42图516剪应力YZ42FIGURE516SHEARSTRESSYZ42图517剪应力XZ42FIGURE517SHEARSTRESSXZ42图518（30/30/30/30）MISES应力42FIGURE518MISESSTRESSIN（30/30/30/30）42图519剪应力XY42FIGURE519SHEARSTRESSXY42图520剪应力YZ43FIGURE520SHEARSTRESSYZ43图521剪应力XZ43FIGURE521SHEARSTRESSXZ43图522最大应力位置43FIGURE522THEMAXIMUMSTRESSREGION43图61跟部受载45FIGURE61LOADATHEEL45图62侧部受载45FIGURE62LOADATSIDE45图63四种铺层方式46FIGURE63FOURPLYUPLAMINATES46图64复合材料制品有限元模型47FIGURE64FINITEELEMENTMODEL47图65复合材料制品实体模型47FIGURE65SOLIDMODEL47图66结构参数设置48FIGURE66STRUCTURALPARAMETERSCHOICE48图67第一种受载情况49FIGURE67THE1STLOADING49图68第二种受载情况分析49FIGURE68THE2NDLOADING49图69约束49FIGURE69CONSTRAINTS49图610（0/0/0）整体变形50FIGURE610STRUCTURALDEFORMATIONIN0/0/0CASE50图611（0/0/0）位移50FIGURE611DISPLACEMENTSIN0/0/0CASE50图612（0/0/0）MISES应力50FIGURE612MISESSTRESSIN0/0/0CASE50图613第1层MISES应力50FIGURE613MISESSTRESSIN1STLAYER50图614第2层MISES应力50FIGURE614MISESSTRESSIN2NDLAYER50图615第3层MISES应力50FIGURE515MISESSTRESSIN3RDLAYER51图616（0/90/0）位移51FIGURE616DISPLACEMENTIN0/90/0CASE51图617MISES应力51FIGURE617MISESSTRESS51图618（0/45/45/0）位移51FIGURE518DISPLACEMENTIN0/45/45/0CASE51图619MISES应力51FIGURE519MISESSTRESS51图620（30/30/30/30）位移52FIGURE520DISPLACEMENTIN（30/30/30/30）CASE52图621MISES应力52FIGURE621MISESSTRESS52图622（0/0/0）位移53FIGURE622DISPLACEMENTIN（0/0/0）CASE53图623MISES应力53FIGURE623MISESSTRESS53图624（0/90/0）位移53FIGURE624DISPLACEMENTIN（0/90/0）CASE53图625MISES应力53FIGURE625MISESSTRESS53图626（0/45/45/0）位移53FIGURE626DISPLACEMENTIN（0/45/45/0）CASE53图627MISES应力53FIGURE627MISESSTRESS53图628（30/30/30/30）位移54FIGURE628DISPLACEMENTIN（30/30/30/30）CASE54图629MISES应力54FIGURE629MISESSTRESS54表清单表序号表名称页码表11表11金属与碳纤维材料的比强度、比模量对比2TABLE11COMPARISONOFSPECIFICSTRENGTHANDMODULUSBETWEENMETALANDFABRICMATERIALS2表21几种复合材料和金属材料的力学性能比较8TABLE21COMPARISONOFMECHANICALPROPERTIESOFCOMPOSITEMATERIALSANDMETALMAERIALS8表31T300/5208材料的性能指标35TABLE31THEPERFORMANCEINDEXOFT300/520835表32解析解与ANSYS解相比较38TABLE32ANALYSTICALSOLUTIONANDANSYSSOLUTION38表51四种铺层的最大应力比较46TABLE51COMPARISONOFMAXIMUMSTRESSESIN4PLYUPS46表61跟部受载时最大位移和应力54TABLE61MAXIMUMDISPLACEMENTSANDSTRESSESUNDERTHELOADATHEEL54表62侧边受载时最大位移和应力56TABLE62TABLE61MAXIMUMDISPLACEMENTSANDSTRESSESUNDERTHELOADATSIDE56变量注释表、正应力、剪应力、正应变、剪应变、G弹性模量、剪切模量泊松比Q刚度矩阵C弹性矩阵材料主轴方向沿X轴的位移沿Y轴的位移沿Z轴的位移挠度层板厚度层板跨度中面上沿X轴的位移中面上沿Y轴的位移W0中面上沿Z轴的位移挠度K弯曲挠曲率单位宽度合内力单位宽度合内力矩拉伸刚度弯曲刚度耦合刚度地I个界面的Z坐标纵向拉伸强度纵向压缩强度横向压缩强度横向拉伸强度纵向最大拉伸应变纵向最大压缩应变横向最大拉伸应变横向最大压缩应力平面最大剪切应变单元内任一点的位移列阵单元形函数矩阵单元节点位移列阵单元应变列阵单元应力列阵应变矩阵应力矩阵单元节点载荷列阵K单元刚度矩阵1绪论1INTRODUCTION11课题背景及意义（BACKGROUNDANDSIGNIFICANCE）该论文课题来源于连云港金麦特精密机械有限公司和日本知名运动装备器械生产公司禧玛诺（SHIMANO）的合作项目。金麦特精密机械有限公司主要从事注塑模具、复合材料模具的研发与制造。金麦特公司受禧玛诺公司委托，为其开发一款运动鞋上的碳纤维加固件的模具。鉴于该产品及其模具的设计、材料性能和加工性能的特殊性，在成型技术和模具结构设计上面临一些技术难题。为此，金麦特公司申请了连云港市科技创新项目“高精度薄壁碳纤维复合材料成型技术”，联合高校一起开展技术攻关。作为应用型硕士研究生，这是一个提供实践环境和锻炼应用能力的技术开发类课题，同时也体现了一定的学术性。在校内导师和企业副导师指导下，作者作为课题组成员参加了产品和模具的设计与生产，产品研制获得了成功，项目以优异的成绩通过了连云港市科委的鉴定，并已投入禧玛诺公司的实际生产中。在本论文中所采用的制品材料为碳纤维复合材料。复合材料从概念上来讲是指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料1。复合材料的性能优于组分材料的性能，它改善了组分材料的刚度、强度、动力等性能2。众多复合材料中，碳纤维复合材料是性能较为优越的复合材料代表，其高弹性模量、高强度的力学性能，使其在众多领域得到了广泛应用。体育用品一般要求质量轻、强度大、阻尼性能好，而碳纤维复合材料具备了所需要的物理性能，日益成为高档运动器械的优选材料。碳纤维复合材料研究起步于上个世纪四五十年代，主要应用于航空航天等尖端技术领域和军工产品。而随着生产工艺的成熟和成本控制，碳纤维复合材料已经逐渐从高端应用进入了普通大众的生活用品。而体育器械也成为了碳纤维材料主要使用领域之一3，主要缘于三点1、碳纤维复合材料具有优越的力学性能，以及其他材料达不到的物化特性。比如耐高温和耐腐蚀等。2、复合材料最明显的特征就是可设计性，使用者根据需要对材料的种类，以及材料中增强纤维的含量等方式进行对材料结构设计。此外，在对材料进行设计时，可任意改变材料的铺层角度和顺序，来满足材料在使中的强度要求,这在一般的金属材料的结构设计中是较难实现的4。3、对多种单一材料进行有机组合构成的复合材料，为解决单一材料性能缺陷提供了一种方法，使材料既保留了原有材料的优良属性，又克服其作为单一材料的不足。复合材料给设计人员提供了一种比强度、比模量高的材料,为结构轻型化、小型化提供了可能。表11给出了几种金属材料与高强度碳纤维材料复合材料的比强度和比模量的对比，显示了碳纤维材料的比较优势。表11金属与碳纤维材料的比强度、比模量对比COMPARISONOFMECHANICALPROPERTIESOFCOMPOSITEMATERIALSANDMETALMAERIALS材料比强度（）比模量（）钛013027钢013027铝017026高强度碳纤维/环氧103097为了充分利用碳纤维复合材料的优良性能，需要解决好两个方面的技术问题复合材料制品的设计和制造（1）复合材料产品设计。纤维复合材料在工程应用中一般以层合结构的形式出现,当复合材料制品作为主要承力部分时,对结构的强度、刚度等承载能力进行分析及预测显得重要且必要，这也是安全可靠、经济地使用复合材料的基础。单纯采用试验方法必然需要较高的时间成本和费用成本。所以，在进行复合材料制品设计时，引入数值分析的方法对于提升制品的设计和制造均有较大的实用意义。由于复合材料层合结构具有可设计性，数值分析有助于实现结构的优化设计，最大限度地发挥材料的增强性能。当然，也是由于结构的复杂性，给设计计算带来了障碍，传统上针对各向同性材料的设计计算方法不再适用，需要建立针对性的数值方法。商业有限元软件的日益成熟为设计新型材料结构提供了可能的分析工具，为产品的设计与开发提供了经济便捷的途径。（2）复合材料产品制造。鉴于这类非金属材料的机械加工性能的特点，适合采用加温压力固化的工艺，目前以模压成型加工为主要成型方法。但国产复合材料成型模具技术一直不高，对于结构复杂、材料特殊制品的模具，更多是由国外进口，导致生产成本过高，而且对于模具的维护和修改都比较困难。所以提高碳纤维制品的模具技术势在必行，以使模具材料的选择、精度、服役寿命等方面达到理想的效果5。此外，采用何种模具结构、工艺方案对复合材料制品成型质量会产生直接或间接的影响。所以在设计模具时，尽量使结构形式简洁、操作方便，更重要的是，必须保证制品的成型效果。采用模压成型时，不但要考虑成型外观，还要保证复合材料制品的内在质量。根据碳纤维复合材料本身结构的独特性，该材料在模压成型过程中可能产生纤维的断裂、层间的开裂等典型破坏形式；参数选择方面，有模腔内的压力、模具表面与坏料之间的穿透容差、锁模力等各种设计参数选择是否恰当等。这些可能出现的问题，都需要进行反复的试验和探索，但试验不但成本较高，而且试验周期较长，不利于产品的开发。利用一些CAE软件（如ANSYS）等工程分析仿真软件，可以有效地解决这些问题，大大缩短产品的研发设计周期，提升经济效益。12国内外研究现状（RESEARCHSTATUSATHOMEANDABROAD）模压成型是对热固性和热塑性材料适用的成型方法。其工艺过程为首先将碳纤维复合材料毛坯料进行预热软化，然后将毛坯手工放入模腔内合模。将模具加热固化成型，冷却开模，脱模后得到碳纤维复合材料制品。模压成型工艺的成型效果较好，精度控制较理想。但是这种成型方法也有一定的局限性，模具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品5。本项目产品属于尺寸小、批量大的制品，故选择模压成型工艺。但由于我国高性能碳纤维的生产受技术制约（最近江苏中复神鹰碳纤维有限公司攻克了大规模生产高性能碳纤维的技术，国产化程度正在加速），生产规模较小，复合材料制品模具技术目前有待完善和进一步发展。作者对于复合材料成型模具设计方面做了一些研究和探讨。本项目中，碳纤维复合材料用于运动鞋跟部的加强片，增加其运动时的强度、抗变形能力，以及运动舒适度。这种碳纤维加强片由多层预浸片铺设经加热固化成型，在力学模型上，属于复合材料层合板壳结构。在实际运用时，复合材料加强片受多种冲击载荷作用，会产生很大的峰值载荷，可能产生材料的失效。由于其结构的特殊性，纤维断裂和层间开裂是其主要破坏形式。对材料的破坏失效研究主要有两种方法实验研究和数值仿真研究。本文以ANSYS为工具，从数值仿真入手，采用复合材料理论及其有限元法，对碳纤维复合材料制品在运动中的峰值载荷作用下结构的强度和刚度进行数值分析，实现结构优化。复合材料层合板的强度分析已有相当的研究见诸文献。初期研究认为在复合材料层合板中，如果其中任意一层发生破坏，那么就认为该材料已经破坏，这种判断准则被称为首层失效假设FIRSTPLYFAILURECRITERION，FPF。基于以上判定准则，REDDY6和RAYC等7相关学者对此假设进行了检验。可是，由于复合材料层合板多相性和各向异性的性质，材料的失效过程是一个逐步发生演化的过程。就材料的破坏形式而言，可能出现纤维拉断、材料脱层、集体开裂、起皱等破坏形式。但这种破坏也并不是完全同时发生，在某层发生破坏以后，其它材料层会继续起到承载作用。这种破坏假设被称为最终层失效假定LASTPLYFAILURECRITERION，FPF。在构建力学模型和计算方法方面，众多学者采用ANSYS等有限元软件作为主要手段。王璐璐等8基于经典层合板理论，采用ANSYS软件中的APDL、UIDL、APFS语言，对ANSYS进行二次开发，构建了复合材料层合板的冲击分析模块，该模块主要用来分析复合材料层板在受静载的整个过程中材料逐步发生分层、纤维断裂问题。舒小平等9对于复合材料层合板界面缺陷问题建立了有限元法模型。崔海坡等10提出应用带缺陷的模型对带孔复合材料板进行了压缩模拟分析，从多个方面考查了材料纤维断裂、基体开裂、剪切破坏、材料脱层等多种主要破坏形式，而且在ANSYS通用模块的基础上进行二次开发，用来模拟任意铺层角度、厚度的复合材料层合板的损伤过程、失效载荷。13研究方法（RESEARCHMETHODS）成型工艺。该复合材料制品的成型工艺要求高，制品的几何形态相对比较复杂，对成型模具有特殊要求。特别是异形薄壁零件在成型过程中，制品在模具型腔内所受压力的均匀性要通过模具来保证，并且要保证制品成型以后的几何尺寸和内在质量满足设计要求。所以模具结构设计是否合理，是产品成型质量的关键因素之一。根据碳纤维复合材料制品结构特征，采用了模压热固成型方式。模压成型方法在工艺上比其他成型方式简便，生产效率较高，成型质量较高，能够保证复合材料制品设计要求。能够实现较为复杂的几何形体成型，无需后续工序处理。而且该成型方法实现大规模自动化生产相对容易。优化设计。本文考虑两种情况下的优化设计一是模压成型时的结构强度和设计优化。二是制品使用中载荷承受能力和结构优化。该结构属于多层层合结构，采用有限元法数值方法为分析工具，本文选用ANSYS软件进行模拟分析。14论文的研究内容（RESEARCHCONTENTS）本文研究碳纤维加固件在设计和生产过程中主要面临两大技术问题，一为成型模具设计和加工工艺，二为复合材料加固件受载分析和结构优化选择，因此，本文的研究内容主要集中在两个方面（1）由制品的材料和外形尺寸等因素，提出成型方案，拟采用模压成型方法，设计成型模具。碳纤维材料的成型要求高、产品结构有其特殊性，从而对成型模具有特殊要求，特别是精度要求较高的异形薄壁类零件，对模具的材料、结构形式、加工工艺等有较高的要求。（2）运用ANSYS软件对复合材料制品的结构进行优化设计选择，确保在成型过程和峰值载荷下结构不发生失效现象，变形得到控制。将依据复合材料层板的理论，选择对应的单元，进行多种铺层和多类型载荷的分析比较，实现优化设计。由于成型时模压压力大，加热固化成型的时间较长，可能使得制品在加工过程中就出现失效，所以，对复合材料制品在模压成型过程进行数值模拟是非常必要的。15论文结构（PAPERFRAME）1绪论简述国内外在该领域的研究状况和发展方向，简要介绍本论文的研究方法和技术路线。2复合材料结构及其力学性能本章主要从材料本身出发，明确材料性能，结合研究对象，确定在成型过程所应注意的事项，并预测可能存在问题。另一方面，从制品几何结构出发，考虑到载荷形式，建立描述其力学响应的复合材料层壳理论。3碳纤维复合材料成型模具设计根据制品的几何结构、材料性质选择模压成型方式，研究模具结构和型芯形式，对模具的主要尺寸进行设计计算和校核，提出模具加工工艺与精度要求，对模具的装配工序及方法给出详细说明。4复合材料的有限元分析及ANSYS应用介绍有限元基本思想、基本理论和基本步骤，介绍ANSYS有限元软件及其功能、结构，重点介绍本文使用的单元，介绍ANSYS使用步骤，举例验证所选单元处理复合材料层合结构的可靠性。5基于ANSYS复合材料制品成型分析利用ANSYS软件分析毛坯在模腔内压力成型的强度效应。由于该碳纤维复合材料属于热固成型材料，所以在成型过程需要进行加热固化。其操作顺序为首先对毛坯进行预热软化，然后放入模腔加载，此时由于碳纤维层合复合材料受热软化，树脂进一步发生交联反应，材料层间强度变低。因此需要对模压过程进行仿真分析，并提出优化方案。6基于ANSYS复合材料制品应用分析针对复合材料加强片在运动时的受载情况进行分析。制品在使用过程中有强度和刚度的要求，选择若干典型的峰值载荷，通过比较铺层方式对等效应力和位移的影响，找到最佳的铺层结构。7总结与展望总结论文的应用价值及存在问题，探讨未来发展趋势。2复合材料结构及其力学性质2COMPOSITESTRUCTURESANDMECHANICALPROPERTIES根据国际标准化组织（INTERNATIONALORGANIZATIONFORSTANDARDIZATION,ISO的定义复合材料是由物理或化学性质不同的有机高分子、金属或无机非金属等两种或两种以上材料经一定的复合工艺制造出来的一种新型结构材料。从定义出发11，决定复合材料性能和质量的主要因素是原材料组分的性能和质量；原材料组分比例及复合工艺；复合材料的界面粘接及处理12。复合材料组分之间的复合模式主要有宏观和细观复合两种。宏观复合主要是指两层以上不同材料之间发生的叠合（也称层合）。从某种意义上讲，这类层合复合材料实际上是对结构的复合叠加，常见复合材料层合结构就是将碳纤维或玻璃纤维薄片进行层压，从而得到层合板。这种层合板的复合层有时可达百层以上。细观复合是一种或几种制成细微形状均匀分散于另一种连续材料中13。21复合材料分类（CLASSIFICATIONOFCOMPOSITES）复合材料分类的依据较多，根据基体材料和增强体材料的不同，所分的种类繁多。依据金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料等的不同组合，通过对不同组元以不同方式进行组合，可构成各种不同的复合材料体系。由复合材料的分类准则可知，本文所研究对象可归类为碳纤维复合材料层合结构材料。碳纤维复合材料的研究最早起源于上个世纪中期，首先用于军工产生，而且品种和用途比较单一。随着对复合材料研究的深入和需求的日益增长，复合材料的种类和性能等级越来越多，被广泛用于国民经济的不同领域。211按用途分类复合材料按用途一般可分为两大类功能复合材料和结构复合材料。结构复合材料，通常是指由能承受载荷的增强体与基体组元构成的材料，分别作为主承力和次承力组元。一般来说，复合材料中的增强体承担结构中主要载荷，基体材料的作用只是把增强体粘接在一起，并起到传递应力和增加韧性的作用。复合材料的比重要比单一材料要低，而强度和刚度则要比单一材料高。功能复合材料常用于特定的物理环境，改善材料的物理性能，或用作传感和作动元件。根据上述分类方法，本项目所采用材料为结构复合材料。212按基体类型分类基体材料有金属、非金属材料。非金属又分为有机、无机材料，在众多非金属复合材料种类中，采用的基体材料主要是有机聚合物14，其中聚合物基复合材料的应用已经从高科技术领域的尖端产品，走向大众生活用品。按基体类型分类如图21所示复合材料水泥基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料碳基复合材料聚合物基复合材料高温陶瓷基玻璃陶瓷基橡胶基轻金属基图21常用复合材料按基体类型分类FIGURE21CLASSIFICATIONOFCOMMONCOMPOSITESBYMATRIXTYPES213按增强体形式分类同样地，按增强体材料和形式分类品种也很多。如颗粒增强型，这种增强体在日常生活中最常见的方式就是混凝土，其中水泥做为基体材料，沙粒作为增强体。而本文所采用的碳纤维复合材料是以树脂为基体，连续纤维为增强体的层合材料。分类方式如图22所示15。复合材料金属基复合材料水泥基复合材料陶瓷基复合材料聚合物基复合材料人工晶片天然片状物微米颗粒纳米颗粒不连续纤维连续纤维图22按增强体形式分类的复合材料FIGURE22THECLASSIFICATIONOFCOMPOSITESBYREINFORCEDBODIES22复合材料的特性（COMPOSITECHARACTERISTICS）工程应用中，常通过以下几个方面的材料指标来评价材料优劣，主要表现为16（1）比强度与比模量高通过表11可以看出几种金属材料与高强度碳纤维复合材料的比强度和比模量的差别。碳纤维复合材料是其他金属材料的数倍，在密度上，比铝小；在强度上，比钢大。碳纤维复合材料这种比重轻、强度大的特性，必定得到广泛的应用。作为衡量材料承载能力批标，比强度、比模量表明了该材料在力学性能上的优越性，有利于结构的减重。如表21所示，玻璃纤维增强树脂基复合材料的密度为20,只有普通碳钢的1/41/5，约是铝合金的2/3，比强度却超过普通碳钢17；而碳纤维的比强度和比模量更要超出数倍，减重效果斐然。表21几种材料的力学性能比较TABLE21COMPARISONOFMECHANICALPROPERTIESSOMEMATERIALS材料密度拉伸强度MPA弹性模量MPA比强度比模量钢7810321013027铝合金28047075017026钛合金45096114021025玻璃纤维增强树脂基复合材料2010604053020碳纤维/环氧树脂复合材料14515014103097碳纤维/环氧树脂复合材料161072406715有机纤维/环氧树脂复合材料211382106610（2）复合材料的可设计性对于传统材料来说，要改善产品的承载能力，一般采用的方法是通过改变结构的几何形状和约束条件来实现，但材料的力学性能本身并未发生改变。复合材料与传统材料最大区别就是可以根据需要对材料的性能进行设计。基体材料和增强体材料均可根据选择，然后通过一定的方法对两种或多种材料进行有机组合，得到复合材料。复合材料的性能不但与基体材料、增强体材料有关，还与增强体材料在复合材料中所占的体积比有关18。对于结构复合材料，还与增强体材料的配置方式有关。比如碳纤维复合材料层合板，纤维含量、铺层角度、各层厚度、基体材料粘接的强度等因素，均能影响复合的性能19。总之，复合材料结构的可设计性的优势是其他传统材料无法比拟的，可根据使用情况针对性地规划结构的铺层方案。在实际应用中，根据使用环境、载荷形式等因素，对复合材料铺层进行优化设计是非常有必要的。本文针对复合材料制品在成型和受载时的情况，对多种铺层进行了对比分析，从中选择最佳铺层方式，充分发挥材料的机械性能。在整个复合材料结构设计过程中，包括了多种类型的设计。例如层合板设计、典型结构件设计以及连接设计等。所以，要综合考虑多种因素对设计的影响，主要因素有结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定，质量控制、工装模具的通用性及设计经验等。其结构设计过程如下图所示性能要求载荷情况环境条件形状限制失效分析应力与应变分析铺层性能确定原材料选择层合板设计典型构件设计结构设计图23复合材料结构设计过程FIGURE23DESIGNPROCESSOFCOMPOSITESTRUCTURES23复合材料层合板铺层设计（PLYUPDESIGNOFCOMPOSITELAMINATES）复合材料的主要特征是结构层合。而且材料中每层的材料性能可能不同，进行交叉或单向层叠构成。在对材料铺层设计时，各单层材料的主方向可以与其他铺层不同。构成层合板的各单层可以是同种材料，也可以是不同材料。复合材料层合板设计又称为铺层设计，在设计过程中对各铺层的铺设角度、顺序均可按照需要进行改变。各单层的材料主方向的布置应使结构元件能承受其上最大的应力或控制变形，利用铺设方向的选择性可以得到优化的层合结构。（A）单向铺层B（0/90/0/90）正交铺层（C）0,45铺层（D）0,90,45,45铺层图24几种常见的复合材料层合板铺层方式FIGURE24SEVERALPLYUPSCHEMESOFCOMPOSITELAMINATES根据受载方式和用途选择不同铺设方式的复合材料层合结构。（A）型铺设方式相对简单，这种结构所承受的载荷也相对单一，承受拉伸载荷。（B）型铺设方式为正交铺层。一般要承受拉伸和压缩载荷以及有限的剪切载荷，对于应力状态为拉伸应力或压缩应力的构件比较适用。（C）型铺层方式主要承受拉伸和剪切的载荷，可以用来设计抗拉伸和剪切应力的构件。（D）型承受拉伸载荷、压缩载荷、剪切载荷，用于面内一般应力作用的构件设计20。24经典层合板壳理论THECLASSICALTHEORYOFLAMINATEDPLATESANDSHELLS复合材料在力学性质上是各向异性的，与各向同性材料的力学性质的差别主要体现在应力应变关系的不同。除此之外，二者在平衡方程、几何方程、协调方程与边界条件等，形式上是相似的。本文的制品属于碳纤维层合结构，几何形体表现为薄壳。研究其力学响应的理论称为复合材料板壳理论，主要可以归纳为经典理论、一阶理论、高阶理论等，理论的复杂程度也随之增加。因为本文制品的厚度仅2MM,与跨度之比非常小，经典层板理论已可以精确地计算结构的力学响应，本文在进行结构优化设计时将选用经典理论及其有限元模型。图25层板几何图形FIGURE25GEOMETRYOFALAMINATE241正交各向异性材料应力应变关系坐标系见图26。以U、V、W分别表示沿坐标X、Y、Z的位移。应力和应变各为6个，以向量记为21（21）在材料变形较小时应变与位移的关系如下（22）Z，3式中逗号表示求导。X，1Y，2图26坐标系FIGURE26COORDINATESYSTEM正交各向异性材料的线弹性应力应变关系可以表示为（23）刚度系数矩阵C是一个对称矩阵。当材料的主轴1、2、3与坐标轴X，Y，Z重合时（见图26），C表示为（24）CIJ（I,J16）与材料的弹性模量、剪切模量和泊松比有关，9个独立的材料常数记为E11、E22、E33、G12、G13、G23、12、13、23。CIJ与它们的关系（25）其中6个泊松比有下列关系（26）在多数复合材料层合结构的二维板壳理论中，材料沿厚度方向的变形是可以忽略的，即取Z0，此时，应力与应变的关系可以简化为式（27）（27）或分别简写为（28）QIJ称为退化刚度系数REDUCEDSTIFFNESSCOEFFICIENTS22，Q1和Q2分别称为面内刚度矩阵与横向剪切刚度矩阵，其计算公式如下所示（29）图27两种坐标之间的关系FIGURE27THERELATIONBETWEENTWOKINDSOFCOORDINATES若铺层时材料的主轴12与坐标轴XY不重合（差一个角度，见图27），变换后的刚度系数矩阵分别为Q1与Q2（210）刚度系数的变换服从下列关系23（211）式中MCOS，NSIN。242经典层合板壳理