（光学工程专业论文）基于optistruct碳纤维复合材料薄壁结构优化设计研究.pdf

图书分类号图书分类号 u463 密级密级 非密非密 udc 注注 1 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于 optistruct 碳纤维复合材料薄壁结构优化设计研究 严严 君君 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称） 杨世文教授杨世文教授 申请学位级别申请学位级别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 车辆工程车辆工程 论文提交日期论文提交日期 2012 2012 年年 4 4 月月 24 24 日日 论文答辩日期论文答辩日期 2012 2012 年年 6 6 月月 3 3 日日 学位授予日期学位授予日期_年年_月月_ 日日 论文评阅人论文评阅人 张晓东张晓东 答辩委员会主席答辩委员会主席 郭树旺郭树旺 2012 年年 5 月月 31 日日 注注 1 1：注明国际十进分类法：注明国际十进分类法 udcudc的分类的分类 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 摘 要 轻量化是未来汽车发展的主要方向，碳纤维复合材料是最具潜力的轻量化材料。近 几年来，复合材料越来越多的被应用在汽车零部件结构的设计中。复合材料在汽车零部 件结构设计中的应用已经形成了由覆盖件到承力构件、薄壁结构件到实体构件的发展趋 势。而基于铺层的长纤维复合材料目前还主要应用在薄壁结构件的设计中。本文主要采 用这种基于铺层的长碳纤维复合材料，针对汽车上的壳体构件以及薄壁形式的承载构件 进行复合材料结构的轻量化设计研究。基于铺层的长碳纤维复合材料的壳体结构件和承 载结构件在轻量化设计中要解决的主要问题为复合材料结构的几何形状设计、复合材料 的最佳铺层角度设计、铺层厚度设计以及铺层顺序设计问题。为了解决上述问题，本文 以复合材料层合板力学结合有限元数值分析和结构优化设计作为研究的理论基础， 以商 业应用软件 optistruct 作为研究工具，以承受典型均布载荷的薄壁包装箱和多工况集中 载荷的汽车悬架摆臂作为碳纤维复合材料结构设计研究的对象，针对上述问题提出了多 阶段的优化设计方法。碳纤维复合材料特种包装箱的多阶段优化设计方法主要包括形貌 优化、尺寸优化和铺层优化。结合包装箱结构设计的技术指标要求，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，箱体的结构设计结果满足设计要求；碳纤维复合材料汽车悬架摆臂的多 阶段优化设计方法主要包括拓扑优化、铺层角度优化和铺层厚度优化。碳纤维复合材料 汽车悬架摆臂结构的优化设计在拓扑优化后获得的悬架摆臂结构的基础上，研究了该结 构最优的铺层角度参数和最佳的铺层厚度参数。通过研究表明，结构优化技术能够获得 可用的复合材料几何结构；复合材料的铺层角度一般选择 0、土 45和 90；复合材 料结构在总的铺层厚度一定的情况下，随着单层的铺层厚度值的减小，结构的刚度会增 大；一般在采用对称铺层的铺层顺序下，结构的刚度最大；与原始结构相比，采用碳纤 维复合材料设计的结构所占的空间体积小，减重效果明显。 关键字：关键字：悬架横臂 ，碳纤维复合材料，包装箱，结构优化 中北大学学位论文 abstract lightweight is the main development direction of the future, and the carbon fiber composite materials are the most potential lightweight materials. this thesis uses long carbon fiber composite material to a certain special package-case and a car suspension control arm structure design，based on hyperworkes optistruct tool. according to the package-cases and the car suspension control arm bearing characteristics, two typical load styles take into consideration, single uniform pressure load and multi-load step force, in the package-case reinforcement structure optimization design the former load style would be considered, and in the control arm design the latter was matched, respectively. then, the scheme of a multi-phase optimization design was carried out, based on the ply-up carbon fiber composite material characteristics. the multi-phase optimization scheme in the carbon fiber composite material package-case design mainly contains topography optimization, size optimization and ply stacking sequence optimization. in the concept design stage, considering package-case stiffness, the topography optimization is carried out. and in the detail design through the size optimization and stacking sequence optimization won the best layer depth size of each angle and best ply stacking sequence. according to the optimization results，the stiffed structure for the package-case was designed. at last the fea was carried out and the results fulfill the design requirements. the multi-phase optimization scheme in the carbon fiber composite material control arm design mainly contains topology optimization, ply angle optimization and ply thickness optimization. in the carbon fiber composite material control arm structure design, the relationship between composite material properties parameters such as ply angle or ply thickness and the structure strength and rigid was researched. in the topology optimization phase a useful composite material control arm structure was obtained. after that, the ply angle optimization and the ply thickness optimization was implemented which take the ply angle and ply thickness as the design variable differently, and the results show a general relationship between the design variable and the structure strength and rigid. at last, the best ply angle value and ply thickness value was ascertained. keywords: suspension arm, carbon fiber composite material, package-case, structure optimization 中北大学学位论文 i 目 录 1 1 绪论绪论 . 1 1 1.1 论文的研究背景论文的研究背景. 1 1.2 国内外研究国内外研究 . 2 1.2.1 复合材料结构优化设计研究现状复合材料结构优化设计研究现状. 2 1.2.2 复合材料在汽车上的应用现状复合材料在汽车上的应用现状 . 4 1.3 本论文的研究内容本论文的研究内容 . 6 2 2 碳纤维复合材料性能及设计研究的相关理论碳纤维复合材料性能及设计研究的相关理论 . 7 7 2.1 碳纤维复合材料简介碳纤维复合材料简介 . 7 2.1.1 碳纤维的性能和分类碳纤维的性能和分类 . 7 2.1.2 碳纤维复合材料的应用碳纤维复合材料的应用 . 8 2.1.3 碳纤维复合材料的成型工艺碳纤维复合材料的成型工艺 . 9 2.2 复合材料层合板理论复合材料层合板理论 . 10 2.2.1 复合材料层合板理论的基本假设复合材料层合板理论的基本假设. 10 2.2.2 层合板理论的基本模型和力学方程层合板理论的基本模型和力学方程 . 10 2.2.3 复合材料层合板的强度失效理论复合材料层合板的强度失效理论. 13 2.3 结构优化理论概述结构优化理论概述 . 15 2.4 基于基于 optistruct的层合板结构优化设计的层合板结构优化设计 . 18 2.5 本章小结本章小结 . 19 3 3 碳纤维复合材料包装箱的结构优化设计碳纤维复合材料包装箱的结构优化设计 . 2020 3.1 碳纤维复合材料的选取碳纤维复合材料的选取. 20 3.1.1 增强材料的选用增强材料的选用. 20 3.1.2 基体材料的选取基体材料的选取 . 21 3.1.3 复合材料基本力学性能复合材料基本力学性能 . 22 3.2 碳纤维复合材料包装箱结构设计要求碳纤维复合材料包装箱结构设计要求 . 23 3.3 碳纤维复合材料包装箱优化设计方案碳纤维复合材料包装箱优化设计方案 . 24 中北大学学位论文 ii 3.3.1 碳纤维复合材料包装箱形貌优化问题描述碳纤维复合材料包装箱形貌优化问题描述 . 25 3.3.2 尺寸优化问题描述尺寸优化问题描述 . 26 3.3.3 铺层优化问题描述铺层优化问题描述 . 27 3.43.4 碳纤维复合材料优化设计结果和分析碳纤维复合材料优化设计结果和分析 . 28 3.4.1 碳纤维复合材料包装箱形貌优化结果碳纤维复合材料包装箱形貌优化结果 . 28 3.4.2 碳纤维复合材料包装箱尺寸优化结果碳纤维复合材料包装箱尺寸优化结果 . 31 3.4.3 碳纤维复合材料包装箱铺层优化结果碳纤维复合材料包装箱铺层优化结果 . 31 3.4.4 碳纤维复合材料包装箱优化设计结果分析碳纤维复合材料包装箱优化设计结果分析 . 32 3.53.5 本章小结本章小结 . 33 4 4 碳纤维复合材料悬架摆臂结构优化设计碳纤维复合材料悬架摆臂结构优化设计 . 3434 4.1 摆臂结构的工况分析摆臂结构的工况分析 . 34 4.2 碳纤维复合材料摆臂拓扑优化碳纤维复合材料摆臂拓扑优化 . 37 4.2.1 碳纤维复合材料摆臂拓扑优化问题定义碳纤维复合材料摆臂拓扑优化问题定义 . 38 4.2.2 碳纤维复合材料摆臂拓扑优化结果及分析碳纤维复合材料摆臂拓扑优化结果及分析 . 39 4.3 碳纤维复合材料摆臂铺层角度优化碳纤维复合材料摆臂铺层角度优化 . 43 4.3.1 碳纤维复合材料摆臂铺层角度优化模型和坐标系的确定碳纤维复合材料摆臂铺层角度优化模型和坐标系的确定 . 43 4.3.2 碳纤维复合材料摆臂铺层角度优化方案碳纤维复合材料摆臂铺层角度优化方案 . 44 4.3.3 角度优化设计结果及分析角度优化设计结果及分析 . 47 4.4 碳纤维复合材料摆臂铺层厚度优化碳纤维复合材料摆臂铺层厚度优化 . 53 4.4.1 碳纤维复合材料摆臂铺层厚度优化方案碳纤维复合材料摆臂铺层厚度优化方案 . 53 4.4.2 铺层厚度优化结果及分析铺层厚度优化结果及分析 . 55 4.5 本章小结本章小结 . 57 5 5 结论与展望结论与展望 . 5959 5.1 全文结论全文结论 . 59 5.2 展望与建议展望与建议 . 59 参考文献参考文献 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果 中北大学学位论文 iii 致谢致谢 中北大学学位论文 1 1 绪论绪论 1.1 论文的研究背景论文的研究背景 汽车工业是国家的支柱产业之一，对国家的经济建设有着重要的贡献。随着我国汽 车工业的高速发展，汽车产业也面临着越来越多的问题，其中最主要的三大问题为：能 源问题、环保问题以及安全问题1。在这种形势下，汽车产业要想实现可持续发展的策 略，发展节能、低排放的汽车技术是减少能源消耗和环境污染的必然要求。目前，从国 际发展趋势上看，解决汽车节能环保问题的主要措施如下：一是发展电动汽车等新型能 源汽车；二是大力发展先进发动机技术；三是发展汽车轻量化技术2。针对以上三种措 施，电动汽车等新能源汽车还处在研发和探索阶段，不足以完全取代以内燃机为主导的 汽车市场，而当今汽车发动机技术提升的难度也越来越大，在这种情况下，汽车轻量化 技术势必要承担起更重要的作用。因此，汽车轻量化技术逐渐成为了汽车工业发展的新 方向，也成为了解决上述三大问题的办法之首。当前，我国的汽车轻量化问题已受到国 家、 企业和各研究单位的高度重视， 在此之下合作成立的汽车轻量化技术创新战略联盟， 承担着国家“十二五”科技支撑计划项目“汽车整车与关键零部件轻量化技术的开发与 应用” ，该项目的相关工作已经逐步展开了3。 目前，国内外应用于汽车的轻量化技术主要有4： 1）新型轻量化材料的开发和应用技术； 2）结构优化设计技术； 3）汽车制造中新的成型方法和连接技术。 碳纤维复合材料作为新型的轻量化材料具有质量轻、耐腐蚀、比强度和比模量高的 特点， 在航空航天及军用领域得到了大力的发展和应用。 在汽车轻量化研究的新形式下， 这一材料正得到许多汽车企业和制造商的青睐，碳纤维复合材料也成为了最具潜力的轻 量化设计材料 （如图 1.1 所示） ， 针对碳纤维复合材料的汽车零部件的设计正在如火如荼 的展开。 结构优化技术是汽车实现轻量化的另一个关键的内容，结构优化技术主要包括拓扑 优化设计、尺寸优化以及形状优化。结构优化在确保汽车零部件结构的功能、性能和质 中北大学学位论文 2 量的前提下，优化零部件结构，去除多余的材料，使其结构精简化、小型化、薄壁化和 中空化，实现汽车结构减重的目的，使汽车零部件结构从根本上实现轻量化设计。 图 1.1 材料的轻量化设计潜能与批量生产能力之间的关系图 1.2 国内外研究国内外研究 基于本文的研究内容，碳纤维复合材料薄壁结构优化设计应用研究的国内外研究现 状主要包括以下几个方面：1）长纤维复合材料结构优化的研究现状；2）长纤维复合材 料在汽车上的应用现状；3）结构优化技术的研究现状以及在汽车上的应用现状。 大量的文献资料表明，结构优化设计和分析在汽车结构设计中有着广泛的应用和研 究，因此，本文以复合材料的相关优化问题和在汽车上的应用现状为主，详细叙述长纤 维复合材料结构优化的国内外研究现状以及在汽车结构设计中的应用现状。 1.2.1 复合材料结构优化设计研究现状复合材料结构优化设计研究现状 碳纤维复合材料铺层薄壁结构优化设计的研究对象主要是基于长纤维铺层的复合 材料，长纤维铺层的复合材料以复合材料层合板理论为力学分析基础，因此长纤维复合 材料结构优化的研究主要是有关复合材料层合板力学分析理论和层合板的优化设计方 法的研究，国内外相关的学者都做了如下工作： 在国内，西北工业大学以李为吉为代表的学者主要研究了复合材料结构的优化设 计， 分别提出了基于长纤维复合材料层合板的优化设计方法和复合材料加筋板的优化设 中北大学学位论文 3 计方法510；北京航空航天大学的学者研究了复合材料格栅结构优化设计技术和基于遗 传算法的复合材料结构优化技术1112； 华中科技大学的许玉荣提出了复合材料层合板基 于可靠性的优化设计与遗传算法，李峰则研究可复合材料层合板强度稳定性分析及鲁棒 优化设计1314； 南京航空航天大学的研究者提出了针对复合材料层合板的基于遗传算法 和有限元技术的分析优化方法以及帽型复合材料加筋壁板结构优化设计等1518； 大连理 工大学的赵志敏对复合材料旋翼结构优化与软件实现做了一定的研究以及张志峰提出 了先进复合材料格栅加筋结构优化设计与损伤分析的方法1920； 国防科技法学的李磊也 研究了基于遗传算法的复合材料层合结构优化设计技术21； 南京理工大学的学者主要研 究了复合材料身管结构的分析和优化技术以及复合材料结构的有限元分析方法2224。 国外学者 schmit 和 farshi 在给定铺层顺序下以强度和刚度作为约束条件，针对复 合材料铺层厚度和铺层角度进行了优化设计和分析25；tauchert 和 adibhat 介绍了随机 跳跃技术，通过该技术获得优化设计的起始点，把铺层顺序和分层厚度看成变量，在横 向载荷作用下进行优化，以获得最小的应变能，从而达到改进优化设计的目的26；adal 研究了满足屈曲载荷要求下的层合板优化设计问题27； kaln 和 synman 介绍了对复合材 料层合板进行优化设计的一种全局优化算法28； mesquita 等人提出利用分枝定界法来求 解屈曲稳定性这类非线性整数规划问题29；haftka 以屈曲载荷最大为目标函数，以每一 层厚度和整数纤维角(0、土 45 和 90)为约束变量用序列线形规划法进行了研究，walsh 以板厚最小为目标函数，屈曲载荷和整数纤维角为约束变量，利用层与方向识别变量技 术，将整数规划问题的公式拟线性化30；随后 nagendra，haftka 和 gurdal 将文27的方 法推广到应变约束的情况，通过应变的 taylor 级数展开，发展了一种拟线性方法，并选 用最大应变准则来预测面内压缩破坏，进行铺层顺序的优化设计31；hu 基于 abaqus 有限元软件，利用序列线性规划技术和“移动限制(move1imit)”策略，将非线性优化问 题拟线性化，分析了复合材料圆柱壳结构的纤维角与屈曲载荷的优化设计，并讨论了壳 厚度与长度对优化结果的影响32。 近几年随着遗传算法的兴起，国外的许多研究者也利用遗传算法研究了复合材料结 构优化设计的相关问题。ji-hokang 等人利用遗传算法研究在屈曲强度约束下轴压复合 材料板和加筋板的最小重量设计问题。他们以铺层角度和铺层层数作为设计变量，重量 和强度作为目标函数，利用修正的遗传算法找到结构的最优点33；a.muc 陈述了复合材 中北大学学位论文 4 料铺层优化的遗传算法，指出应该把注意力放在遗传算法和目标函数的有限单元计算相 联系的应用上，同时指出合适的编码和选择过程是很重要的34；akira todoroki 采用遗 传算法，优化了复合材料层合板结构的相关参数35。 综合国内外复合材料结构优化设计的研究现状和研究内容，以结构优化设计的三个 要素设计变量、目标函数以及约束条件来看，复合材料结构优化设计的设计变量主 要为以下几个参数：1）复合材料层合板的铺层厚度参数；2）复合材料层合板的铺层角 度参数；3）复合材料层合板的铺层顺序参数。与传统的材料相比，结构优化设计变量 的变化体现了复合材料结构优化设计的特点。 1.2.2 复合材料在汽车上的应用现状复合材料在汽车上的应用现状 纤维增强复合材料以增强材料的存在形式主要分为长纤维增强和短纤维增强。 近年 来，由于理论研究的深入和工艺的进步，为了充分发挥纤维材料的力学性能，长纤维增 强复合材料得到了大量的应用，同时也成为了汽车轻量化应用材料中最重要的一类。 纤维增强复合材料最早被应用在航空航天领域， 1953 年世界上第一辆全复合材料车 身的两座跑车雪弗兰 corvette（如图 1.2）在美国诞生并且开始 300 辆的试生产，标志着 复合材料在汽车上真在开始了批量应用36。 图 1.2 世界上第一辆全复合材料车身的 corvette 跑车 复合材料目前在汽车零部件中的应用主要包括：内饰件、外饰件、以及功能和结构 件。其中主要的内饰件有：仪表板、车门内板、座椅、发动机罩等；外饰件有：保险杠、 挡泥板、 导流罩等；功能的结构件：汽车轮毂、油箱、油气踏板、车身覆盖件、底盘 盖板、前端组件等。如图 1.3 所示。 中北大学学位论文 5 图 1.3 碳纤维复合材料汽车轮毂 目前世界上针对碳纤维复合材料在汽车上的应用研究机构主要有： （1）相关大学的开创的复合材料汽车应用研究中心；其中国外某大学的复合料研 究中心成功开发了一种碳纤维复合材料轿车，这种轿车的车身承载构架采用碳纤维复合 材料制造。碳纤维复合材料承载构架由泡沫芯材、 碳纤维编织套管和低粘度高强度环 氧树脂制成。这种碳纤维复合材料轿车的车身长度为 4.3m，宽度为 l.7m，高度为 l.4m。 全装备重量约为 570kg。这种碳纤维复合材料轿车的最大特点是造价低、可以大批量生 产、重量轻、燃料效率高，刚度高，抗侧风性好。 （2）相关企业建立的研究中心；意大利赛车制造企业兰博基尼在 2009 年创建了一 所汽车用复合材料的研究所，兰博基尼与波音及华盛顿大学等宇航、航空、复合材料等 领域的领先企业、研究机关结成合作伙伴，决定向碳纤维技术扩大投资，如图 1.4 所示； 宝马公司与 zohek 公司合作开发和试验高强度的碳纤维复合材料车体板件和其它部件。 图 1.4 兰博基尼碳纤维复合材料发动机罩 碳纤维复合材 料发动机罩 中北大学学位论文 6 当前我国还没有正式建立复合材料汽车零部件应用研究的相关机构，主要的研究还 是依赖于国内的大学，而汽车上的复合材料零部件的主要应用也依赖于国外的开发和研 究。国内针对短纤维复合材料在汽车零部件结构设计上的应用研究主要有：张力和张恒 对复合材料发动机机体结构，汽车复合材料刹车片以及汽车复合材料制动缸均进行了结 构设计、研究和研制以及试验3738；李松松，段实秋等应用有限元分析方法分析了碳纤 维复合材料飞轮结构的强度39； 针对长纤维复合材料在汽车零部件结构设计上的应用研 究，上海交通大学奚曹良对碳纤维复合材料传动轴的结构设计与计算方法进行了研究， 利用matlab软件设计编制了层合板破坏强度的计算程序以及利用ansys有限元软件确 定了复合材料传动轴的有限元计算方法40。 随着汽车轻量化设计研究的深入，纤维增强复合材料在汽车上的应用研究将会越来 越多、越来越深入和全面。 1.3 本论文的研究内容本论文的研究内容 基于 optistruct 的碳纤维复合材料铺层薄壁结构优化设计应用研究以长碳纤维复合 材料 t300/5208 作为结构优化设计的材料，针对两种典型的承载方式均布载荷和集 中载荷，以 hyperworks 结构优化设计软件作为复合材料结构优化的设计工具，研究典 型承载工况下碳纤维复合材料铺层结构的优化设计方法。 均布载荷下的复合材料铺层结构的优化设计以薄壁箱体结构作为设计优化对象， 针 对箱体的加筋结构，通过概念设计和详细设计获得薄壁箱体结构的最佳的加筋结构布置 方案以及复合材料的设计方案，以满足该箱体的空间设计、质量设计和刚度设计要求。 集中载荷下的复合材料结构优化设计以汽车悬架摆臂作为研究对象，提出多工况环 境下复合材料摆臂结构的优化设计方案。本文主要的研究内容包括以下几个方面： （1）碳纤维复合材料薄壁箱体结构设计的主要研究内容为确定满足箱体设计要求 的复合材料加筋结构，确定复合材料箱体的铺层厚度参数以及铺层顺序方法； （2）碳纤维复合材料悬架摆臂结构设计的主要研究内容为确定满足多工况下悬架 摆臂刚度的复合材料摆臂几何结构；研究铺层角度与复合材料摆臂结构刚度之间的关 系；研究复合材料单层厚度参数与摆臂结构刚度之间的关系。 中北大学学位论文 7 2 碳纤维复合材料性能及设计研究的相关理论碳纤维复合材料性能及设计研究的相关理论 2.1 碳纤维复合材料简介碳纤维复合材料简介 2.1.1 碳纤维的性能和分类碳纤维的性能和分类 碳纤维是一种力学性能优异的新型材料，它的比重不到钢的 1/4，抗拉强度一般都 在 3500mpa 以上，是钢的 79 倍，抗拉弹性模量为 2300043000mpa 亦高于钢。因此 碳纤维复合材料的比强度可达到 2000mpa/ （g/cm3） 以上， 而 a3 钢的比强度仅为 59mpa/ （g/cm3）左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈 高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维复合材料在工程中设计中具有广 阔应用前景。 碳纤维复合材料的强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还 耐高、又能像铜那样导电，是具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。 碳纤维是含碳量高于 90%的无机高分子纤维。其中含碳量高于 99%的称石墨纤维。 碳纤维的轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之 间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，x 射线透过性好。但其耐冲击性较差， 容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀 现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。 碳纤维的分类： （1）碳纤维按不同的产品规格，被划分为宇航级（aerospace-grade）和工业级 （commercial- grade）两类，宇航级碳纤维初期以 1k、3k、6k 为主，逐渐发展到 12k 和 24k，主要应用于国防军工和高技术，以及体育休闲用品，像飞机、导弹、火箭、卫 星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。工业级碳纤维包括 48k、60k、120k、360k 和 480k 等。 （2）碳纤维按力学性能一般可分为 6 类：通用型（gp）碳纤维、高性能型（hp） 碳纤维、高强度（hs）碳纤维、高模量（hm）碳纤维、超高强度（uhs）碳纤维和超 中北大学学位论文 8 高模量（uhm）碳纤维。 （3）碳纤维按生产原料可分为聚丙烯腈基纤维、沥青基纤维、粘胶丝或酚醛纤维。 其中聚丙烯腈基碳纤维是 1959 年本大阪工业研究所进藤昭男发明，促进了碳纤维工业 的大发展，成为当前碳纤维的主流； 沥青基碳纤维是 1965 年本群马大学的大谷杉郎发 明，成为目前仅次于聚丙烯腈基的第二大原料路线；碳黏胶基碳纤维是 1950 年开始研 究，1959 年推向市场，1964 年达到鼎盛，目前仍在生产，占据着其他碳纤维不可取代 的地位41。 2.1.2 碳纤维复合材料的碳纤维复合材料的应用应用 由于碳纤维具有的优异性能， 因而以碳纤维为主要增强材料的先进复合材料在高科 技和经济发展中有着重要的应用。目前的应用领域主要在三个方面： （1）宇航领域 碳纤维广泛应用于航空航天领域， 在国防军工领域主要包括军用飞机、 无人战斗机 以及导弹、火箭、人造卫星等。早在七十年代初期， 美国军用 f-14、f-l5 战斗机就部 分采用碳纤维复合材料作为主承力结构材料。在七十年代后期，碳纤维复合材料作为主 承力结构材料在 f-18 的主翼，机身等部位使用，使用量达结构材料总重 10，垂直起 降的 av-8b 战斗机主翼等部件的碳纤维复合材料用量达到总量的 26 。在民用航空领 域， 如波音 767 及空中客车 a-3l0， 碳纤维复合材料也占到了结构重量的 3和 5左右。 用碳纤维与塑料制成的复合材料所做的飞机不但轻巧，而且消耗动力少，推力大，噪音 小；用碳纤维制电子计算机的磁盘，能提高计算机的储存量和运算速度；用碳纤维增强 塑料来制造卫星和火箭等宇宙飞行器，机械强度高，质量小，可节约大量的燃料42。 （2）体育休闲用品 自从碳纤维复合材料问世以来，体育及休闲用品方面的应用一直是其重要的应用领 域之一，其中高尔夫球杆、球拍、钓鱼杆是三大支柱产品，约占该类产品的 80以上。 （3）一般工业应用 交通运输：赛车、汽车传动轴、卡车的构架、车辆的结构体，大型卡车车体、火车 车体、磁悬浮车体，风车叶片及压缩天然气罐等； 石油：如碳纤维抽油杆、扶正器。医疗卫生：用于人工骨、韧带、x-光床板等； 中北大学学位论文 9 化工：密封填料和滤材、压力容器、防静电材料； 基础设施：房屋、桥梁、隧道、涵洞、地铁及其相关的混凝土工程等； 其他：电极材料、电磁波屏蔽材料、音响器材、冷冻箱、家用电梯等新项目43。 2.1.3 碳纤维复合材料的成型工艺碳纤维复合材料的成型工艺 目前碳纤维复合材料结构成型的主要工艺有： 1预浸料技术：将树脂体系浸涂到纤维或纤维织物上，通过一定的处理过程后储 存备用的半成品。预浸料是一个总称，实际根据复合材料制造的需要，按增强材料的纺 织形式有预浸带、预浸布、无纬布之分。 预浸料发展方向： （1）可长期在常温下储存的预浸料； （2）低温固化又不影响使用 温度的预浸料； （3）超薄低密度大丝束碳纤维预浸料； （4）快速固化预浸料。 2热压罐成型 3真空袋成型 4压力袋成型 5模压成型（smc） 6rtm 工艺（树脂传递模塑） ：在一定的压力、温度下，把低粘的树脂与助剂混 合注入有增强材料坯的模具中的一种成型工艺。工艺特点：模具成本降低 50%70%， 成型过程有机物挥发降低。 7拉挤成型 8纤维缠绕成型：在控制张力和预定线性条件下将连续的纤维浸胶后按一定规律 缠绕在芯模上，然后在加强或常温下固化，制成一定形状制品的工艺方法。缠绕工艺方 法包括（根据缠绕时树脂基体所处物理化学状态不同划分） ：干法、湿法、半干法（预 浸料法） 。 9电子束固化：利用电子加速器产生的高能电子束冲击待固化树脂，使其固化44。 中北大学学位论文 10 2.2 复合材料层合板理论复合材料层合板理论 2.2.1 复合材料层合板理论的基本假设复合材料层合板理论的基本假设 叠层板的经典理论来源于常规的薄板经典理论(classic theory)， 其基本假设有如下几 点： （1）垂直于板中面的截面在变形后仍为平面并且垂直于变形后的中面； （2）板的厚度在变形后不变； （3）垂直于中面的正应力远小于平行于中面的其他应力分量，因而可以忽略； （4）挠度量很小，在几何关系中可以忽略位移二次以上高阶量(小挠度理论)。 经研究和工程应用验证，经典理论对分析板的“总体”力学特性，如弯曲变形、临 界载荷、