圆织立体碳纤维复合材料三角架的强度分析

摘要

管状结构件是工程中广泛应用的基本构件，采用树脂基碳纤维制成的管状构件具有质量轻、比刚度与比强度高、耐疲劳性能优异、耐腐蚀性能好等特点。圆织三维管状碳纤维复合材料是在圆织工艺上发展起来的一种复合材料成型工艺，其原理是经纱沿圆周方向排布，由综丝带动上下运动，在同一时间内形成多个织口，每个织口对应一层织物，同时有一把载纱器将纬纱引入织口内，然后经纱进行交替位置将纬纱包容而固定在织物中。为了将各层织物连接起来，设计一部分纬纱或经纱作为垂纱。垂纱在交织过程中沿织物厚度方向交织，用于增强组织层间力学性能。为了对圆织立体碳纤维复合材料进行更好的设计使用，需要对其细观结构和弹性性能进行研究。
　　本文对碳纤维立体管状织物展开研究，建立更加符合实际的细观几何模型和有限元模型，采用刚度平均法和有限元法预测其力学性能，据此研究其在自行车三角架上的应用。主要研究内容可分为以下三个部分:
　　第一，建立一种新的圆织立体碳纤维复合材料力学模型。该模型采用跑道形纤维束截面假设，基于可设计几何参数和组织结构，合理预测了圆织三维管状复合材料纤维体积分数，并采用体积平均化方法分析圆织立体复合材料的弹性性能。
　　第二，采用CAD软件绘制单胞几何模型，导入有限元软件中进行分析，得到了相关等效弹性性能参数，并合理确定了复合材料内部的应力分布。将预测结果与刚度平均法理论预测结果进行了对比分析，验证了有限元分析方法的可行性和单胞结构的正确性。并继续分析了单胞的层数对其弹性性能的影响。
　　第三，为了便于碳纤维复合管材与连接件的连接以及不影响整体结构的力学性能，利用虚拟样机技术和有限元技术对碳纤维复合管材与接头的三种结合方式的自行车架进行有限元分析，给出了最优接头结构。该分析研究结果对碳纤维自行车的设计具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 三维复合材料概述

1．2 三维机织复合材料研究现状

1．2．1 细观结构研究

1．2．2 弹性性能研究

1．3 管状复合材料的应用

1．4 碳纤维自行车研究现状

1．5 本课题研究内容

1．6 小结

2 圆织立体管状复合材料细观结构分析

2．1 圆织立体管状预制件的结构形式

2．2 单胞划分及细观几何参数的确定

2．2．1 模型几何参数

2．2．2 单胞中各纱线的纤维体积含量

2．3 小结

3 圆织立体管状复合材料的刚度分析

3．1 基本假设与分析流程

3．2 单向复合材料的柔度矩阵

3．3 整体刚度矩阵的集成

3．4 小结

4 圆织立体管状复合材料的有限元分析

4．1 有限元分析

4．1．1 有限元方法简介

4．1．2 等效弹性常数的计算

4．2 三维机织圆管的有限元分析

4．2．1 建立分析模型

4．2．2 定义单元类型

4．2．3 定义材料属性

4．2．4 网格划分

4．2．5 边界条件及约束

4．2．6 分析结果及讨论

4．3 圆织立体碳纤维复合材料的层数分析

4．4 小结

5 机织碳纤维自行车三角架的有限元分析

5．1 碳纤维立体织物管状复材车架的特点

5．2 车架接头结构的分析

5．2．1 车架三维模型的建立

5．2．2 网格划分

5．2．3 载荷及约束

5．2．4 分析结果

5．3 小结

6 总结与展望

6．1 课题研究工作总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢