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碳纤维复合材料异型管材的力学性能仿真与优化
| 论文题名： | 碳纤维复合材料异型管材的力学性能仿真与优化 |
| 关键词： | 异型管材;碳纤维复合材料;力学性能;铺层角度;优化设计 |
| 摘要： | 近年来，随着碳纤维复合材料的不断发展，具有优异力学性能的碳纤维复合材料异型管材得到越来越多的应用。但关于碳纤维复合材料异型管材的力学性能仿真研究较少，不同结构模型和纤维角度对异型管力学性能影响的研究不多，所以本文以一种截面形状介于圆形和方形之间的八边形的碳纤维复合材料异型管作为研究对象，开展力学性能研究，对其进行模型建立、纤维角度优化以及力学性能对比仿真分析，为异型管的实际性能提供依据。主要的研究内容如下： 首先基于层合板模型理论，建立异型管层合板模型，并进行仿真验证。将UG建立的壳体模型导入ANSYS，在ANSYS的ACP(pro)模块中建立CFRP异型管有限元模型，进行轴向压缩和弯曲仿真试验，结果表明，在轴向压缩试验中，异型管压缩2厘米的长度时的载荷已经超过160MPa，碳纤维复合材料层合板异型管具有较好的力学性能。 其次采用控制变量法，设计轴向压缩和弯曲力学性能试验，对铺层角度进行优化。选取常用的0度、30度、45度、60度作为铺层角度，从层合板整体和单层分别进行力学性能分析。结果表明，45 度铺层的异型管在弯曲加载时能够更好地分散载荷，减少变形量，其弯曲性能相比其他铺层角度的管件高出4%，0度铺层的异型管由于纤维方向与压缩方向一致，能够更有效地承受载荷，其轴向压缩性能相比其他铺层角度的管件高出23%。 最后采用曲面相交法，建立异型管的编织几何模型，对工况的载荷进行优化计算，在工况下，对比层合板模型与编织几何模型的力学性能。结果表明，两种模型的异型管都能够满足工况下使用，安全系数最小值均大于1.5,符合安全系数要求。 |
| 作者： | 李兴 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 张玉井;马娟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东华大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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