碳纤维复合材料箱形梁抗弯刚度研究

摘要

在当前节能减排的大背景下，轻量化是承载构件的发展趋势之一，特别是在对结构质量敏感的航空航天、轨道交通车体框架等领域中。碳纤维复合材料箱形梁既有箱形截面惯性矩大、抗扭性能好的特点，又能发挥复合材料轻质高强、可设计性强的优势。因而碳纤维复合材料箱形梁作为承载结构具有重要的应用价值，有必要对其抗弯刚度进行研究，进而设计出承载性能优异的梁结构。 目前针对存在变形要求的复合材料梁，大多是根据经验选择一种铺层方案进行等代设计，在此基础上优化铺层和截面参数。这类设计方法缺乏系统性，且工作量大。为此本文针对碳纤维复合材料箱形梁，系统地分析了铺层方案和截面参数对其抗弯刚度的影响，为碳纤维复合材料箱形梁的设计优化提供指导。研究内容包含以下几个方面： 首先根据经典梁理论，对箱形梁进行了受力分析，并根据折板理论，得出箱形梁整体抗弯刚度等于翼缘和腹板抗弯刚度之和；基于复合材料单层板理论得到各单层的工程弹性常数和抗弯刚度，在此基础上，根据层合板理论得到翼缘和腹板的抗弯刚度，从而推导出复合材料箱形梁抗弯刚度计算公式。 其次通过仿真和实验，分析了铺层方案对碳纤维复合材料箱形梁抗弯刚度的影响。结果表明：提高0°铺层比例有利于提高碳纤维复合材料箱形梁的抗弯刚度。 最后仿真分析了截面参数对碳纤维复合材料箱形梁抗弯刚度的影响，包括梁截面高度、上下翼缘壁厚以及上翼缘壁厚这三个方面。结果表明： （1）增大梁截面高度、上下翼缘加厚以及上翼缘加厚均能有效提高碳纤维复合材料箱形梁的抗弯刚度。其中，上下翼缘加厚对抗弯刚度的提高最显著。 （2）不同铺层方案的碳纤维复合材料箱形梁，截面参数变化相同时，其抗弯刚度的变化程度并不一致，0°比例越高，抗弯刚度变化的程度越小。 （3）在对碳纤维复合材料箱形梁进行优化时，针对抗弯刚度的提高，可首先对其铺层方案进行分析，根据0°铺层所占比例，采取不同的优化方式：0°比例较高，应首先增大截面尺寸和梁的壁厚；0°比例不高，可增大截面高度、在翼缘外表面铺设0°铺层。

目录

声明

第1章 绪论

1.1本文研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容

第2章 复合材料箱形梁抗弯刚度的理论分析

2.1梁平面弯曲分析基础

2.2复合材料单层板和层合板刚度分析

2.3复合材料箱形梁的抗弯刚度

2.4本章小结

第3章 铺层方案对碳纤维复合材料箱形梁抗弯刚度的影响

3.1箱形梁抗弯刚度

3.2铺层方案对碳纤维复合材料箱形梁抗弯刚度影响的仿真分析

3.3 碳纤维复合材料箱形梁抗弯刚度理论计算

3.4铺层方案对碳纤维复合材料箱形梁抗弯刚度影响的实验分析

3.5碳纤维复合材料箱形梁抗弯刚度仿真、理论与实验比较

3.6本章小结

第4章 截面参数对碳纤维复合材料箱形梁抗弯刚度的影响

4.1截面高度对箱形梁抗弯刚度的影响

4.2上下翼缘壁厚对箱形梁抗弯刚度的影响

4.3上翼缘壁厚对箱形梁抗弯刚度的影响

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文