碳纤维复合材料自行车把横管的辅层设计与性能测试

摘要

碳纤维复合材料以其质量轻、强度高和安全可靠性好等有优点已经广泛应用于航空航天、军事等工业领域。随着碳纤维产能的扩大，碳纤维复合材料开始在民用领域也有着越来越广泛的应用，碳纤维复合材料自行车已经成为碳纤维复合材料在民用领域得到应用的一个重要行业。
　　 碳纤维复合材料的价格非常昂贵，因此在制造复合材料制件前，必须经过反复的设计，以达到降低产品试验经费的目的。本文参阅了大量文献，了解了碳纤维复合材料的结构设计方法后，利用有限元分析法对碳纤维复合材料自行车把横管进行铺层设计。首先利用UG三维建模软件建立了复合材料自行车把横管的几何模型，然后用ANSYS提供的CAD导入/导出功能将模型导入ANSYS中建立了碳纤维复合材料把横管的有限元模型。根据复合材料铺层设计的原则，设计了二十多种铺层方案，对这些方案分别进行了有限元分析，并采用蔡-吴破坏准则对每种铺层方案进行了强度校核，从而筛选出了较优的铺层方案。本文对三种不同结构的碳纤维复合材料把横管的应力状态进行了分析，分析结果表明碳纤维复合材料把横管有三个应力集中区域，在这三个区域把横管最容易发生破坏。根据把横管应力分析的结果，在把横管其中一个应力集中区进行了局部补强，研究了局部补强对碳纤维复合材料把横管力学性能的影响并确定了铺层设计的最佳铺层方案。最后根据本文设计的最佳铺层方案制备了碳纤维复合材料把横管样品，并进行了疲劳试验、把横管和把立管组合件侧向弯曲试验以及静态弯曲试验检测了把横管的性能，试验表明本文设计的碳纤维复合材料把横管具有优越的力学性能和耐疲劳性能。