碳纤维-铝蜂窝夹芯材料空轨车厢面板抗弯刚度研究

摘要

空中轨道列车是一种将列车悬挂于空中的轨道交通系统。由于空轨列车悬挂于空中轨道，对地面交通不产生任何影响，并可以分散地面交通压力，对城市交通拥堵问题有一定的减缓作用，空轨列车是城市轨道交通的一个分支，可以作为我国现有城市公共交通系统的一个补充进行发展建设。 空轨列车由于悬挂于空中，所以自重严重影响其承载能力。要改善其运载能力，轻量化设计是主要手段，而车厢面板作为空轨列车的组成部分，降低其重量对空轨列车的轻量化非常重要。碳纤维-铝蜂窝板具有比重小、比刚度比强度高、隔音降噪、隔热保温等优良特性，将其应用于空轨列车面板上，在保证强度和刚度的情况下，可以有效降低空轨列车的重量，并且可以很好地提高空轨列车的乘座舒适性。 抗弯刚度是碳纤维-铝蜂窝车厢面板的重要性能指标，本文针对碳纤维-铝蜂窝板的抗弯刚度展开研究。在铝蜂窝芯结构参数不变的情况下，从理论计算、模拟仿真和实验三个方面对碳纤维不同铺层方式的碳纤维-铝蜂窝板抗弯刚度进行了求解，并对三种方式所求的抗弯刚度进行了对比分析。 首先，分析了蜂窝芯的等效公式和层合板理论。针对方案明确的蜂窝芯规格，对其进行了等效计算，得出了其轴向弹性模量；运用层合板理论对等效后碳纤维-铝蜂窝板进行理论计算，获得了其抗弯刚度。 其次，在ABAQUS中对碳纤维-铝蜂窝板建立仿真模型，通过对其上表面中部区域加载均布载荷，在软件中求出其载荷与其下表面中间位置最大应变的相互关系，利用MATLAB对数据进行拟合，求出斜率，从而计算出抗弯刚度；对等效理论值与仿真值进行对比分析，仿真值与等效理论值相近，最大相差11.3%。 最后，设计制作了八种方案实验件，利用万能试验机和电阻式应变仪，对碳纤维-铝蜂窝板进行弯曲实验，求出其抗弯刚度。对各组实验数据与等效理论值、仿真值进行了对比分析，发现各组实验所得出的抗弯刚度值与仿真值都非常接近，实验平均值与仿真值最大相差8.6%，与理论值最大相差8.1%。由此可以看出，仿真与理论计算可以有效的分析出其抗弯刚度性能。分析了碳纤维面板铺层角度、铺层顺序和铺层厚度对碳纤维-铝蜂窝板抗弯刚度的影响，结果发现，铺层角度越小其抗弯刚度越大，铺层越厚抗弯刚度越大，而铺层顺序则对其抗弯刚度的影响非常小。本文研究结果对碳纤维复合材料铝蜂窝车厢面板的设计具有实际意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究目的与意义

1.2碳纤维-铝蜂窝复合板概述

1.3国内外发展现状

1.4研究主要内容

1.5本章小结

第2章 碳纤维-铝蜂窝板抗弯刚度理论计算

2.1碳纤维-铝蜂窝板设计总体方案

2.2蜂窝芯层力学性能等效理论

2.3复合材料层合板理论

2.4抗弯刚度EI的等效理论计算

2.5本章小结

第3章 碳纤维-铝蜂窝板抗弯刚度数值仿真

3.1碳纤维-铝蜂窝板应变与抗弯刚度关系

3.2仿真模型建立

3.3仿真值与等效理论值对比分析

3.4本章小结

第4章 碳纤维-铝蜂窝板弯曲实验

4.1实验方法

4.2实验设备

4.3实验件的制作

4.4测试结果

4.5实验结果分析

4.6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学术成果