碳纤维复合材料圆梁弯曲振动有限元分析

复合材料用有限元分析引言复合材料是由不同类型的材料组合而成的，具有优异的力学性能和轻质化的特点，在航空航天、汽车工程、建筑结构等领域得到广泛应用。

有限元分析是一种常用的工程分析方法，可用于预测复合材料结构在受力过程中的应力和变形情况。

本文将介绍复合材料用有限元分析的基本原理、建模过程、分析方法和结果解读。

有限元分析基本原理有限元分析基于有限元法，将复杂的结构分割成许多简单的单元，再利用数学方法求解这些单元的力学行为，最终得出整个结构的应力和变形情况。

复合材料的有限元分析一般采用3D固体单元或板单元，考虑复合材料的各向异性和层合板的分层结构。

有限元分析的基本原理可以总结为以下几个步骤：1.确定有限元模型：–根据复合材料结构的几何形状和材料性质，选择适当的有限元单元类型。

–确定网格划分方案，将结构划分为单元网格。

–确定边界条件和加载方式，包括约束条件和外部加载。

2.确定单元性质：–根据复合材料的材料力学性质，将其转化为有限元单元的材料刚度矩阵。

–考虑各向异性和分层结构，将材料刚度矩阵进行相应的转换。

3.确定单元相互连接关系：–根据结构的几何体系，确定单元之间的连接关系，包括单元之间的约束和边界条件。

4.求解方程组：–根据单元的刚度矩阵和边界条件，建立整个结构的刚度矩阵。

–考虑加载情况，求解结构的位移和应力。

5.结果后处理：–分析结构的应力和变形分布，评估结构的安全性和性能。

–对结果进行解读和优化。

复合材料有限元分析的建模过程复合材料的有限元分析建模过程与传统材料的有限元分析类似，但在材料性质和单元连接方面存在一些特殊性。

下面是复合材料有限元分析的建模过程的简要步骤：1.几何建模：–根据实际结构的几何形状，利用建模软件（如Solidworks或CATIA）进行3D建模。

–根据复合材料的分层结构，将各层材料的几何形状分别绘制。

2.材料定义：–根据复合材料的材料属性，定义合适的材料模型和参数。

–考虑复合材料的各向异性和分层结构，定义材料的力学参数。

建　筑　结　构　学　报(增刊)Journal of Building Structures (Supplementary Issue )碳纤维布加固开裂低配筋混凝土梁试验研究与有限元分析曾严红,林　峰,顾祥林(同济大学建筑工程系,上海200092)基金项目:国家科技支撑计划课题(2006BAJ 03A07)。

作者简介:曾严红(1981-　),男,河南固始人,博士研究生。

收稿日期:2008年5月摘要:为了给受损开裂低配筋混凝土结构加固维修提供依据,按3种低配筋率0.127%、0.189%、0.251%设计了6根钢筋混凝土梁。

先将混凝土梁加载至出现宽度为0.3mm 的可见裂缝时卸载,再粘贴碳纤维布进行加固,养护后重新加载至破坏。

试验结果表明:粘贴碳纤维布能有效提高开裂梁的承载能力,随着加固量的增大加固梁承载力提高,但变形能力降低;在低配筋情况下,配筋率越高,承载力提高比例越大。

用有限元方法数值模拟碳纤维布加固受损低配筋梁受力全过程,计算结果与试验结果吻合较好,为进一步参数分析提供了工具。

关键词:开裂混凝土梁;低配筋率;碳纤维布;加固中图分类号:TU37511　TU528.572 文献标识码:AExperimental st udy and finite element analysis o n crackedco ncrete beams wit h low reinforcement ratio s st rengt henedwit h carbo n fiber co mpo site sheet sZEN G Yanhong ,L IN Feng ,GU Xianglin(Department of Building Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )Abstract :In order to give p roposals for st rengt hening and rehabilitation of cracked concrete beams wit h low reinforcement ratio s ,six concrete beams wit h t hree different low reinforcement ratios were designed.The beams were p reloaded and t hen unloaded when 0.3mm wide cracks appeared.The damaged beams were st rengt hened wit h carbon fiber composite sheet s and reloaded to failure.Testing result s showed t hat t he ultimate capacity of st rengt hened beams increased wit h t he amount of carbon fiber compo site sheet s ,and t he larger t he reinforcement ratio was ,t he bigger t he increment of capacity of t he st rengt hened beam was ,but deformation capacity decreased.The flexural behavior of t he st rengt hened beams subjected to monotonic loads was simulated wit h finite element met hod.The calculation result s have a good match wit h test result s ,which indicates t hat calculation model can be used in f urt her numerical analysis.K eyw ords :cracked concrete beam ;low reinforcement ratio ;carbon fiber compo site sheet ;st rengt hening0　引言碳纤维复合材料因其轻质、高强、耐腐蚀等优异性能,近年来在土木工程领域得到广泛应用。

碳纤维加固混凝土梁的受力分析及注意事项一、碳纤维加固梁抗弯承载力分析基本假定：1、碳纤维加固梁钢筋、混凝土、碳纤维布应满足平截面假定2、不考虑受拉区混凝土的作用3、钢筋采用理想弹塑性应力应变关系4、碳纤维采用线弹性应力应变关系当碳纤维加固梁先发生理想的钢筋屈服、碳纤维布拉断破坏，然后发生混凝土受压区压碎的破坏，根据碳纤维加固梁在纯弯矩作用下正截面应力应变及混凝土相对界限受压高度的计算公式，在混凝土开裂前，钢筋与碳纤维的应变为0.89。

当混凝土开裂后，尤其是纵筋屈服后，两者的应变开始急剧增加，碳纤维布约束了裂缝的进一步开展，使得混凝土梁上出现大量细而密的裂缝，推迟了中和轴的上移，提高了梁的刚度。

随荷载的增大，碳纤维应变的发展速度逐渐大于钢筋应变的发展速度，碳纤维和纵筋之间存在较大的应变差，而逐渐不符合应变是0.89的比值。

二、碳纤维布加固设计计算要点采用碳纤维布加固，目前，其计算方法一般是将碳纤维布按照一定的标准例如:允许应力标准，近似换算成一定用量的钢筋，然后，按照传统的钢筋混凝土受力分析模型进行理论分析，虽然是近似计算方法，但是，理论分析结果与实验数据完全吻合。

因此在一般情况下是适用的。

碳纤维布加固用量可按下式估算:——碳纤维布用量（面积）；——为抵抗不足弯矩所需的钢筋面积；——钢筋的抗拉设计强度；——碳纤维布抗拉设计强度。

除按上式估算的碳纤维布加固用量(面积)外，还必须考虑必要的锚固长度和搭接长度所需面积，以及必要的边、角废料等裁剪损耗等。

三、粘贴施工注意事项对被加固构件的基面要求:因为用碳纤维布加固混凝土构件是依赖于碳纤维布与构件表面的粘贴效率，所以要求基面的混凝土强度等级不低于CI5。

同时要求被加固构件应具有良好的保护层，即基面平整且具有一定强度。

对于构件有剥落、起皮、腐蚀、裂缝及严重碳化等表面缺损，必须先进行修复，并应将粘贴基面打磨平整、清理干净，且不应存在尖锐楞角和浮灰粉尘，防止碳纤维布的局部剥断破坏和粘贴失效。

碳纤维薄壁圆管屈曲性能试验研究与有限元分析【摘要】本文对三种不同直径和壁厚的薄壁碳纤维圆管进行了屈曲试验，得出了三种管件在两端铰支条件下的屈曲临界载荷；利用ANSYS软件建立了三维薄壁圆管模型，用层合壳单元模拟薄壁圆管的叠层结构，建立了适当的位移和载荷边界条件，用特征值屈曲分析方法分析了三种不同直径和壁厚圆管的屈曲性能；试验和分析结果表明：有限元分析所得屈曲临界载荷和试验结果吻合较好，对此种形式的碳纤维圆管，特征值屈曲分析有较高的精度。

接头对屈曲临界载荷的影响也做了相应的讨论。

【关键词】碳纤维圆管；层合壳单元；特征值屈曲分析；有限元碳纤维复合材料具有比强度高、比刚度大、抗疲劳性好、减震性好等特点，被广泛应用于航空航天飞行器的结构。

碳纤维复合材料薄壁圆管也被广泛应用于航空航天器的支撑杆件。

对于受压作用下的细长型杆件，其稳定性是结构设计者首要考虑的问题。

本文针对细长型碳纤维圆管的屈曲性能进行了试验研究和有限元分析。

1碳纤维圆管屈曲性能试验研究本文研究的碳纤维圆管都由T300/Epoxy碳纤维预浸布卷铺制作而成，T300/Epoxy单层布的力学性能如表1所示[1-2]，这是一种横观各向同性材料。

表1T300/Epoxy单层板性能本文研究的三种规格的碳纤维圆管的铺层信息如表2所示。

表2不同直径、壁厚圆管的铺层信息碳纤维圆管通过两端粘接的两个铝合金接头连接在试验机上，试验临界长度为1105mm，如图1所示，每种规格的试件选择5根进行屈曲试验。

图1碳纤维圆管屈曲试验件简图试验在微控电子万能试验机上进行，加载速度控制在3mm/min内，试验现场如图2(a)所示，两端约束条件为铰接，如图2(b)所示。

（a）屈曲试验试验件安装图（b）两端铰接约束条件图2碳纤维圆管屈曲试验在试验机上安装好试件之后，开始加载，由试验机自动记录试验数据试验，加载至试件屈曲破坏。

其破坏形式如图3所示，破坏位置均为杆件中点，为典型的两端铰接的压杆一阶失稳破坏模式，试验结果如表3所示。

Ａ一２玻璃钢学会第十五届全国玻璃钢／复合材料学术年会论文集２００３年碳纤维复合材料圆管性能研究钟天麟周祝林（上海玻璃钢研究所２００１２６）摘要：本文介绍碳纤雏傅合材料圆管的拉、压、弯、剪的试验结果，并对此试验结果进行理论分析，除拉、压强度外，拉、压弹性模量，弯曲强度和模量，弯剪强度和模量均与试验值很符合。

文中的性能数据厦分析的理论公式可供产品设计时应用。

关■词：田管碳纤堆复合材料性能天１前言碳纤维复合材料圆管是复合材料中典型的先进产品，由于具有高的比强度，比模量，小的线膨胀系数，抗疲劳和阻尼性能良好等优点，广泛地用于航空和航天飞行器结构，如：通讯卫星和应用技术卫星的天线支承桁杆，轴向发动机支架等。

现应某航天产品设计需要，要求测试碳纤维复合材料圆管的拉伸，压缩，弯曲及弯剪等性能，同时用三点外伸弯曲法测出弯曲模量和剪切模量。

试验按国家标准进行。

本文总结性能测试结果，并作了理论分析。

２圆管铺层与工艺２．１圆管铺层圆管用Ｔ３００碳纤维环氧树脂预浸布按下列铺层次序缠绕成的：±４５、，世，．４－４５’，碍，．４－４５０／．４－４５。

，心，４－４５。

，瞥，．４－４５０共１６层，舻铺层４层，４５。

铺层１２层，每层厚０．１５ｍｍ，树脂含量为３８．４０％圆管内径ｑ）４．５“ｏ。

外径唾６０－ｏ∞２．２成型工艺碳纤维Ｔ３００的性能和ＳＴ３５０环氧树脂的性能列于表１表１原材料性能用碳纤维环氧树脂预浸布按上述铺层次序缠绕成圆管后，其固化工艺如下室温ｉ塑当１００ｎ（：：／３０ｍｉｎｉ竺唑，１５０℃／１２０ｍｉｎ然后随炉冷却至４０。

Ｃ，出炉，卸压，脱模成圆管产品。

２．３密度用体积质量法，测出圆管的密度，如表２所示。

７袁２碳纤雏复合材料圆管密度２．４树脂含量及纤维体积含量用实测密度１．４５１９／ｃｍ３及上述原材料性能，计算出树脂含量Ａ为５３．４％，可见比预浸布的树脂含量高，同样说明复合材料圆管有空隙率‘“，当以５％空隙率计算时，得树脂含量为３９．ｏ％，这与预浸布的树脂含量符合，以下以４０％树脂含量计算，经计算得纤维体积含量为４８．７％。

内蒙古工业大学学报J O U R N A LO FI N N E R MO N G O L I A 第36卷 第4期U N I V E R S I T Y O FT E C HN O L O G Y V o l .36N o .42017文章编号:1001-5167(2017)04-0003-06收稿日期:2017-07-10作者简介:安文奇(1992-),女,在读硕士研究生,研究方向:压力容器的无损检测㊂ *通讯作者:路智敏(1964-),女,博士,教授,硕士生导师,研究方向:压力容器㊂金属内衬碳纤维复合材料压力容器壳体的有限元分析安文奇,路智敏*,赵 飞,陈 阳(内蒙古工业大学化工学院,呼和浩特010051)摘要:本文依据柔性配方的环氧树脂基(改性环氧树脂)碳纤维复合材料的实验数据,对固体火箭发动机壳体进行有限元分析㊂首先根据网格理论推导出螺旋向纤维在筒身段缠绕角及缠绕层数的表达式㊂然后根据推导出的公式计算出相应的参数,并依据计算所得结果设置合理的铺层方案㊂最后利用A N S Y S 软件进行建模,并对模型进行有限元分析,从而得到复合材料压力容器随内压的增加,内衬层以及纤维缠绕层应力的变化趋势,并最终得到模型的爆破极限,进而证明了A N S Y S 软件在复合材料压力容器模拟方面具有实用性与可靠性㊂关键词:碳纤维复合材料;压力容器;有限元;A N S Y S 中图分类号:T Q 051.3 文献标识码:A 0 引言近年来,随着科学技术水平及制造业的快速发展,社会各领域对材料提出更高要求,复合材料凭借其优良性能在众多材料中脱颖而出[1]㊂对于复合材料压力容器的研制,国外已形成相对成熟的体系,而国内起步较晚,虽有较快发展,但相较国外仍存在较大差距[2]㊂环氧树脂的性能影响着复合材料性能的发挥,且因其具有诸多局限性,故对其改性是学术界的重点㊂由于复合材料压力容器的力学性能与其生产工艺紧密相关,若全部通过爆破试验来获取力学参数,其成本将大大增加,而通过有限元方法对其进行爆破试验的数值模拟即可获取接近于真实值的力学性能参数,故本文应用大型有限元分析软件A N S Y S 对改性环氧树脂基碳纤维缠绕复合材料压力容器进行结构设计及有限元分析㊂同时提出合理的假设,经过施加载荷,计算并分析,得出金属内衬层以及纤维缠绕层的应力分布情况,并与材料的固有参数进行比较,通过改变所施加的内压载荷的数值,最终得到复合材料压力容器的爆破极限,从而验证有限元分析的可行性㊂1 模型的结构及材料属性1.1 复合材料压力容器壳体的结构由于固体火箭发动机壳体的结构属于回转壳体,中部结构为圆柱形筒体,筒体上下分别与标准椭圆形封头相连接,壳体的两端为开有极孔的接管,复合材料层缠绕于内衬结构之上㊂固体火箭发动机壳体的整体结构呈轴对称,并且内衬结构较之纤维缠绕层部分来说相对更为简单,所以本文将对所选取的模型的内衬结构进行一定的简化,简化的内衬见图1,具体参数见表1㊂图1 压力容器壳体结构简图F i g .1 P r e s s u r e v e s s e l s h e l l l i n i n g s t r u c t u r e d i a gr a m 表1 参数数值T a b l e 1 P a r a m e t e r v a l u e 参数符号R 1mm R 2mm R 3mm R 4mm R 5mm L 1mm L 2mm L 3mm L 4mm T 1mm 数值7783932001215202510031.2 壳体材料的选择本文所选取的固体火箭发动机壳体部分,内衬为铝合金T 6061㊁其纤维缠绕的材料为国内生产工艺相对比较成熟的碳纤维T 700,材料参数见表2㊂表2 T 700碳纤维性能参数T a b l e 2 P e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o fT 700c a r b o n f i b e r 拉伸强度M P a 拉伸模量G P a 密度g /c m 3纤维体积分数%基体体积分数%线密度T e x 49002301.862388002 复合材料压力容器的参数计算目前,国内外学者主要基于网格理论对纤维缠绕复合材料压力容器进行设计与分析㊂网格理论假设载荷全部由增强材料承担,树脂基体无承载作用[3]㊂本文所研究的固体火箭发动机壳体的类型属于圆柱型,故在应用网格理论分析时,在原假设基础上还应满足均衡条件及连续条件㊂均衡条件指经缠绕后的网格,只在大小上发生变化,角度不发生改变;连续条件指内衬层与复合材料层之间在失效前一直保持连续状态,无相对位移产生[4]㊂下面根据网格理论分析计算筒身段纤维缠绕角㊁纤维的应力和纤维层数㊂2.1 筒身段缠绕角度计算公式由于纤维缠绕在筒身处是螺旋结合环向缠绕,所以在筒身将产生螺旋与环向的网格微元,螺旋缠绕在筒身段的角度为固定值[5],其计算方程为:s i n α=r 0R (1) 式中:α 纤维螺旋向缠绕角;r 0 内衬极孔的外半径;R 内衬筒体的外半径㊂即:652内蒙古工业大学学报2017年α0=a r c s i n r 0R (2) 将简化后模型的几何尺寸代入公式(2)当中,经过计算之后可得α0=24.52ʎ,圆整后为25ʎ㊂故筒身段的螺旋缠绕角为25ʎ㊂2.2 筒身段应力应变计算公式均衡应变公式:ε=N z E f t f αc o s 2α(3) 再将其代入到物理方程当中,可得纤维的发挥强度为:σf α=σf θ=N z t fαc o s 2θ(4)2.3 筒身段螺旋向及环向纤维缠绕层数的确定n α=t f αmA n θ=t f θìîíïïïïmA (5) 式中:n α 纤维螺旋向缠绕层数n θ 纤维环向缠绕层数其中m =MN b (6)A =1βρf (7)β=1000N ρm (8) 式中:M 纤维沙团数,且M =2N 纤维每团股数,且N =20b 纤维宽度,且b =8ρf 纤维密度,且ρf =1.8ρm 碳纤维的平均线密度,且ρm =800t e x 经过计算,得n α=9.5,所以纤维螺旋向缠绕层数为10层㊂n θ=10.4,所以纤维环向缠绕层数为10层㊂3 纤维缠绕复合材料压力容器的有限元分析鉴于结构㊁载荷及约束等方面的对称,同时为提高分析效率,进而得到较为准确的结果,本文只对壳体建立八分之一模型并进行分析㊂3.1 壳体有限元模型的建立前面已计算得到了筒身部分螺旋缠绕角α0=25ʎ,所以纤维在筒身段的铺层为90ʎ/-25ʎ/90ʎ/25ʎ/90ʎ/-25ʎ/90ʎ/25ʎ/90ʎ/-25ʎ/90ʎ/25ʎ/90ʎ/-25ʎ/90ʎ/25ʎ/90ʎ/-25ʎ/90ʎ/25ʎ㊂螺旋与环向缠绕各有十层,共计二十层,并且铺层为两种缠绕相互交叉铺层,如图2所示㊂本文所选取的固体火箭发动机的壳体模型包括内衬层与缠绕层两部分㊂内衬为铝合金T 6061材料,缠绕层材料选用碳纤维/环氧树脂(T 700/E p o x y ),即选取改性后的环氧树脂㊂对于金属部分,考虑到铝合金材料的性能特点,本文将选取S O L I D 95单元,因为它在空间上可以是任意方位,具有良好的兼容性;对于复合材料部分,选取S H E L L 181单元对纤维层建模㊂752第4期安文奇等 金属内衬碳纤维复合材料压力容器壳体的有限元分析为了避免铝合金内衬局部出现比较大的计算误差,同时也为了使单元的形状尽可能规则,所以内衬部分的网格采用映射网格㊂封头与接管的连接处以及接管部分,由于结构突变,使得此处的应力应变值发生变化,所以在此处使用相对较为密集的网格进行划分[5]㊂内衬网格划分如图3所示㊂由于模型是由对称面经旋转得到,此时在封头与筒体的对称面,将其网格分别划分为2ˑ30,这样可以提高最终的求解精度㊂图2 筒身段纤维铺层方向图F i g .2 C y l i n d e r b o d y f i b e r o r i e n t a t i on 图3 复合材料压力容器内衬网格划分F i g .3 M e s h p a r t i t i o no f c o m p o s i t e p r e s s u r e v e s s e l l i n i n g 3.2 材料属性的定义及整体模型的建立缠绕层的材料将选用碳纤维/改性环氧树脂(T 700/E p o x y ),基体为柔性配方,即选取改性后的环氧树脂,其参数见表3[6],内衬层将选取铝合金T 6061,其参数见表4㊂表3 T 700碳纤维/改性环氧树脂性能参数T a b l e 3 P r o p e r t i e s o fT 700c a r b o n f i b e r /M o d i f i e de p o x y r e s i n E X /M P a E Y /M P a E Z /M P a P R X Y P R Y Z P R X Z G X Y /M P a G Y Z /M P a G X Z /M P a 15420011420114200.330.490.49710038007100表4 T 6061铝合金内衬性能参数T a b l e 4 P e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o fT 6061a l u m i n u ma l l o y l i n i n g 弹性模量G P a 泊松比μ屈服极限M P a 强度极限M P a 密度g /c m 368.90.3242983302.7由于筒身是螺旋结合环向的缠绕方式,而封头部分仅有螺旋缠绕,所以在筒体和封头的过渡段就会产生缠绕层数与缠绕厚度的突然变化[7]㊂将与封头接近的两节点,定义其环向缠绕厚度是零,而螺旋缠绕没有发生变化,在筒体与封头过渡段形成环向缠绕层渐变消失[8]㊂筒体与封头过渡段纤维见图4所示㊂3.3 壳体的加载及结果分析经过有限元非线性求解,最终得到30M P a 载荷作用下的内衬㊁环向以及螺旋向纤维的V o n M i s e s 应力分布㊂由于封头只存在螺旋缠绕而不存在环向缠绕,所以封头段环向纤维应力值是零㊂图5为30M P a 载荷作用下内衬的M i s e s 应力分布,从图中可以看出,应力最大值是257.133M P a ,并且最大位置发生在压力容器封头与接管的过渡部分;应力最小值是7.43649M P a ,最小位置在筒体与封头的连接部分,由于在封头与接管部分结构发生了突变,使得应力值最大㊂在30M P a 载荷条件下内衬材料未到达材料的屈服极限,材料未发生塑性变形,由此说明对于内衬结构,均布载荷还有提升空间㊂852内蒙古工业大学学报2017年图4 筒体与封头过渡段纤维F i g .4 C y l i n d e r a n dh e a d t r a n s i t i o n s e c t i o no f t h e f i b er 图5 30M P a 作用下内衬的M i s e s 应力图F i g .5 T h eM i s e s s t r e s s d i s t r i b u t i o no f t h e l i n e r u n d e r t h e 30M P a 图6为30M P a 载荷作用下的环向纤维M i s e s 应力分布㊂由于环向缠绕只在筒身部分,由图中的应力云图可知,封头段的环向纤维应力值为零,即图中蓝色区域,环向纤维应力最大位置发生在筒身部分,即图中的红色区域,最大应力是845M P a ㊂图7为30M P a 载荷作用下螺旋纤维的V o n M i s e s 应力分布,由图知,螺旋向纤维的应力分布较为均匀,纤维均能承受较大载荷,由于螺旋缠绕在封头与筒体的连接部分产生结构上的突变,会造成局部的应力集中,所以螺旋向纤维的最大应力发生在封头与筒体的过渡部分,最大应力值为1509.71M P a㊂最小应力发生在接管部分,由于这一部分靠近出口,纤维缠绕的厚度最大,其结构与筒体部分的缠绕一致,缠绕较为均匀,最小应力值为11.9691M P a ㊂图6 30M P a 作用下环向纤维的M i s e s 应力图F i g .6 T h eM i s e s s t r e s s d i s t r i b u t i o no f t h e r i n g f i b e r u n d e r t h e 30M Pa 图7 30M P a 作用下螺旋纤维的M i s e s 应力图F i g .7 T h eM i s e s s t r e s s d i s t r ib u t i o no f t h e s pi r a l f i b e r u n d e r t h e 30M P a 由图6以及图7可知,最大应力值远低于纤维的发挥强度,这说明纤维的性能未充分发挥出来㊂下面将增加内压载荷的数值,对比分析不同内压载荷对于应力结果的影响,进而得出内压载荷的最佳值,同时充分发挥纤维的优良性能㊂3.4 不同载荷复合材料压力容器壳体的有限元分析为进一步分析内压载荷对于复合材料压力容器壳体承载能力的影响,接下来将内压载荷从30M P a 逐步提高到32M P a ㊁36M P a 以及40M P a ,并分别对其应力分布进行观察㊂由于只是查看内压载荷对于复合材料压力容器壳体结果的影响,所以并未改变模型的其它参数以及所施加的约束条件㊂4 结论经建模分析后,结果表明,复合材料压力容器在30M P a 载荷条件下,内衬与缠绕层均未达到材料的952第4期安文奇等 金属内衬碳纤维复合材料压力容器壳体的有限元分析062内蒙古工业大学学报2017年强度极限㊂将内压载荷从30M P a逐步增加到32M P a㊁36M P a以及40M P a,伴随着内压的增加,内衬材料首先到达屈服极限,同时产生塑性变形,载荷继续提高,内衬层的应力不再有显著的增加;随内压的增加,环向纤维与螺旋向纤维应力不断增加,应力分布均匀,各部分都能够承受较大的应力㊂当内压增加到40M P a时,螺旋向纤维首先到达纤维的发挥强度,纤维发生断裂,同时意味着40M P a压力条件下容器发生失效㊂由模拟结果可知,有限元分析软件A N S Y S的分析结果与实际情况较为贴近,最终的爆破压力值高出设计值33%㊂造成这种结果的原因:一是理论设计仅考虑了纤维对壳体强度的贡献,而未考虑金属衬里和环氧树脂基体的作用;二是在建模的过程中提出的几点假设,使模型结构过于理想化㊂研究结果将对这一结构的有限元方法在工程实际应用中安全系数的确定提供依据㊂参考文献:[1]赵欣,朱健健,李梦,等.复合材料应用研究与产业发展建议[J].材料导报,2016,30(S1):525~530,538.[2] L eA T,G a c o i nA,L iA,e t a l.I n f l u e n c eo f v a r i o u ss t a r c h/h e m p m i x t u r e so n m e c h a n i c a l a n da c o u s t i c a l b e h a v i o ro fs t a r c h-h e m p c o m p o s i t em a t e r i a l s[J].C o m p o s i t e sP a r tBE n g i n e e r i n g,2015,75(3):201~211.[3] Y u M,F e n g B,X i e W,e t a l.T h e M o d i f i c a t i o no f aT e t r a f u n c t i o n a lE p o x y a n dI t sC u r i n g R e a c t i o n[J].M a t e r i a l s,2015,8(6):3671~3684.[4]王欢,刘勇琼,廖英强,等.碳纤维/环氧复合材料壳体补强新工艺及方法对比研究[J].宇航材料工艺,2013,43(2):88~91.[5]景津津.纤维缠绕壳体椭圆封头长短径比的优化[D].西安:西安理工大学,2011.[6] S p r e n g e r S,K o t h m a n n M H,A l t s t a e d tV.C a r b o nf i b e r-r e i n f o r c e dc o m p o s i t e su s i n g a ne p o x y r e s i n m a t r i x m o d i f i e dw i t h r e a c t i v e l i q u i d r u b b e r a n d s i l i c an a n o p a r t i c l e s[J].C o m p o s i t e sS c i e n c e&T e c h n o l o g y,2014,105:86~95.[7]李琦,刘世民.筒体与封头过渡段总体塑性变形的直接法校核[J].化工设备与管道,2015,52(4):17~19.[8] F u JH,Y u n J,K i mJ S,e t a l.R e a l-t i m e g r a p h i c v i s u a l i z a t i o no f f i l a m e n t b a n dw i n d i n g f o r f i b e r-r e i n f o r c e d c y l i n d r i c a lv e s s e l s[J].J o u r n a l o fC o m p o s i t eM a t e r i a l s,2016(16):2165~2175.F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i s o fM e t a l-l i n e dC a r b o nF i b e rR e i n f o r c e dP l a s t i cC o m p r e s s o r S h e l lA N W e n q i,L UZ h i m i n,Z H A OF e i,C H E N Y a n g(S c h o o l o f C h e m i c a lE n g i n e e r i n g,I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,H o h h o t010051)A b s t r a c t:T h e a r t i c l e a c c o r d i n g t o a f l e x i b l e f o r m u l a o f e p o x y r e s i n-b a s e d(m o d i f i e d e p o x y)c a r b o n f i b e r c o m p o s i t em a t e r i a l s e x p e r i m e n t a l d a t a t o a n a l y z e t h e f i n i t e e l e m e n t o f a s o l i d r o c k e tm o t o r h o u s-i n g.F i r s t l y,a c c o r d i n g t o t h e g r i d t h e o r y,t od e r i v a t e t h e e x p r e s s i o no f t h e t h i c k n e s so f t h e s p i r a l f i l l e t a n d t h e s p i r a lw o u n d i n t h e h e a d s e c t i o no f t h ew i n d i n g a n g l e.T h e n,a c c o r d i n g t o t h e f o r m u l a t o c a l c u-l a t e t h e c o r r e s p o n d i n g t o t h e p a r a m e t e r s,a n da c c o r d i n g t o t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s s e t r e a s o n a b l e l a y e r s o l u t i o n.F i n a l l y,u s i n g A N S Y S s o f t w a r e t om o d e l,a n dd o i n g t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s f o r t h em o d e l.I t i s s h o wt h a t t h es t r e s so f t h ec o m p o s i t e p r e s s u r ev e s s e l i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h e i n t e r n a l p r e s s u r e,t h e l i n i n g l a y e r a n d t h e s t r e s s o f t h e f i b e rw o u n d l a y e r,a n d f i n a l l y g o t t h e b l a s t i n g l i m i t o f t h e c o m p o s i t e p r e s s u r ev e s s e l,a n di t p r o v e st h a tA N S Y Ss o f t w a r eh a s p r a c t i c a l i t y a n dr e l i a b i l i t y i nt h e s i m u l a t i o no f c o m p o s i t e p r e s s u r e v e s s e l.K e y w o r d s:C a r b o n f i b e r c o m p o s i t e;P r e s s u r e v e s s e l;F i n i t e e l e m e n t;A N S Y S。

碳纤维增强复合材料力学性能的有限元模拟分析引言：碳纤维增强复合材料是一种重要的结构材料，具有高强度、低密度和优异的耐腐蚀性能。

为了更好地理解和预测这种材料的力学性能，有限元模拟成为一种有效的工具。

本文将探讨碳纤维增强复合材料的力学性能及其有限元模拟分析方法。

1. 碳纤维增强复合材料的力学性能碳纤维增强复合材料由碳纤维和基体材料组成，具有独特的力学性能。

首先，碳纤维的高强度和高模量使得复合材料具有出色的抗拉强度和刚度。

其次，由于碳纤维和基体的界面结合紧密，复合材料还表现出较好的层间剪切性能。

此外，碳纤维增强复合材料的疲劳强度和耐冲击性也远远优于传统金属材料。

2. 有限元模拟在力学性能分析中的应用有限元模拟是一种计算方法，通过将复杂结构离散为数学模型，基于力学原理求解结构的应力和变形分布。

在碳纤维增强复合材料力学性能分析中，有限元模拟被广泛应用。

首先，可以通过有限元模拟研究复合材料在静力载荷下的应力分布和应变响应，从而评估其强度和刚度。

其次，有限元模拟还可以模拟在动力载荷下复合材料的疲劳寿命和冲击行为，并优化复合材料的设计和性能。

3. 有限元模拟参数的选择在进行碳纤维增强复合材料力学性能的有限元模拟时，需要选择合适的模拟参数。

首先，应选择适当的网格划分，以保证模型几何形状和表面质量的准确性。

其次，需要确定材料的力学性能参数，如弹性模量、剪切模量和层间剪切强度等。

对于复合材料的层间剪切强度，通常需要进行微观结构分析以获取准确的数值。

此外，外界加载条件（如温度、湿度等）也需要考虑进来以获得可靠的模拟结果。

4. 有限元模拟分析的挑战和进展尽管有限元模拟在碳纤维增强复合材料力学性能分析中具有重要的应用前景，但仍面临一些挑战。

首先，材料的非线性和各向异性使得模拟计算的复杂度增加。

其次，复合材料的失效机制与金属材料有所不同，需要改进模型和算法以准确地预测结构破坏行为。

此外，对于复合材料的疲劳和寿命预测，还需要开展更多的试验和验证以提高模拟的准确性。

２２碳纤维复合材料加固混凝土板的有限元计算与分析２０１０年３月碳纤维复合材料加固混凝土板的有限元计算与分析殷波（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州２２５００９）摘要：建筑工程中广泛采用混凝土板，而对大面积板采用碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）对混凝土结构进行加固补强是一项先进的技术。

本文介绍了碳纤维布材料的性能及碳纤维加固技术的主要功能、特点，并用ＡＮＳＹＳ有限元软件进行了计算分析。

关键词：碳纤维复合材料；加固；混凝土板；ＡＮＳＹＳ；有限元中图分类号：ＴＱ３４２文献标识码：Ａ文章编号：１００３一０９９９（２０１０）０２—００２２—０３１引言在建筑工程中，混凝土结构占有很大的数量。

目前相当多的住宅、别墅、商务等建设用房采用大开间以增加使用面积的结构越来越多。

而大开问的使用则使混凝土板的跨度增大，板的面积增加。

传统方法是相应增加混凝土板的厚度。

由于板厚的增加，使得结构自重也相应增加且建筑物的净高会减小，从而使建筑物的使用受到影响。

另外由于设计、施工造成的问题，如配筋不足、混凝土强度低等，会使结构的承载能力和耐久性能降低，不能满足原设计要求，有的甚至危及结构的安全，这些结构都亟待进行修复加固。

通过对混凝土结构进行补强加固，达到提高结构或构件的抗弯、抗剪、抗拉、抗裂的能力以及抗震、抗腐蚀能力，从而恢复或提高原有结构的承载力。

对混凝土结构补强加固的方法有增大截面法、粘钢法等，这些方法各有利弊。

近几年来采用碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）对钢筋混凝土结构构件进行加强的新技术，在国际上深受重视并已获得较多的应用和发展。

２碳纤维的性能和特点碳纤维是目前建筑结构中使用量最大的高性能纤维。

碳纤维是纤维状碳材料，由含碳量高的有机纤维在保护气氛和施加张力牵引下，通过热处理碳化成为含碳量９０％以上的纤维…。

２．１碳纤维的主要性能（１）力学性能碳纤维具有高强度（抗拉强度相当于一般钢材的１０余倍）、高弹模、密度小、延伸率小等特性，可充分利用其优异的力学性能，有效提高混凝土结构的承载力、延性、抗裂性能。

Abaqus碳纤维复合材料结构1. 概述碳纤维复合材料是一种具有优异性能的先进材料，它在航空航天、汽车工业、体育器材等领域得到了广泛应用。

在工程设计中，对碳纤维复合材料结构的性能和可靠性进行准确的评估至关重要。

Abaqus是一种常用的有限元分析软件，能够对复材结构进行准确的模拟和分析，因此对于碳纤维复合材料结构的研究至关重要。

2. 碳纤维复合材料的特点碳纤维复合材料由高强度的碳纤维和塑料基体组成，具有重量轻、强度高、刚性大、耐腐蚀、抗疲劳等优点。

然而，碳纤维复合材料的非均匀性和复杂的结构使得其性能表现和预测变得更加复杂。

需要借助有限元分析等方法进行深入研究。

3. Abaqus对碳纤维复合材料结构的模拟Abaqus作为有限元分析软件，具有强大的建模和分析能力，能够对碳纤维复合材料的结构进行准确的模拟。

通过Abaqus可以建立复材层合板、复材蜂窝结构、复材夹芯板等常见的复材结构模型，并进行受力性能、疲劳寿命、断裂行为等方面的分析和预测。

4. Abaqus在碳纤维复合材料结构中的应用Abaqus在碳纤维复合材料结构领域有着广泛的应用，例如在航空航天领域，可以利用Abaqus对飞机机翼、机身等结构的复材部件进行受力和疲劳寿命分析；在汽车工业领域，可以利用Abaqus对碳纤维复合材料车身、悬挂系统等部件进行强度和刚度分析；在体育器材制造领域，可以利用Abaqus对碳纤维复合材料网球拍、高尔夫球杆等产品的性能进行模拟和预测。

这些实际应用表明Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的重要性和价值。

5. Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中的挑战和展望尽管Abaqus在碳纤维复合材料结构研究中取得了显著的成果，但仍然面临一些挑战，如对复材材料本身非线性、破坏行为、界面效应等方面的准确建模和模拟；另外，随着复材结构的复杂化和应用领域的拓展，需要Abaqus不断更新和完善其建模和分析能力，以满足不断增长的复材结构仿真需求。

CFRP加固钢筋混凝土简支梁有限元分析刘喜良1，付士峰2,李鹏2(1•河北省第四建筑工程公司；2.河北建研科技有限公司)摘要利用大型通用有限元软件ANSYS,对CFRP加固钢筋混凝上简支梁的抗弯性能进行有限元分析。

结果表明，碳纤维布加固混凝上梁后，与未加固梁相比其极限承载力有显著的提髙并且挠度有了明显的减小。

关键词CFRP；混凝上梁；加固：ANSYS1引言碳纤维增强复合材料(CFRP)加固法是近年来兴起的一种新型的结构加固技术，它是以树脂类胶结材料为基体，将碳纤维单向布织物粘贴固化于混凝土表面，从而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能的目的。

本文利用有限元软件ANSYS模拟CFRP加固钢筋混凝土简支梁前后的性能，并对其进行对比分析。

2有限元模型的建立2.1分析对象简支梁截面尺寸为bXh= 150mmX30mm,总长3.3m，净跨为3m°混凝上强度等级为C20。

试验梁受拉钢筋为3根16的二级钢筋：受压筋为2根8的一级钢筋：箍筋为8 的一级钢筋，间距为150mm：梁的配筋率为1.53%。

2.2有限元单元模型(1)混凝土单元模型一一solid65ANSYS中专门用于混凝土结构而开发的单元solid65 .此单元可以模拟基于Williams-Warnke 强度理论的混凝土三向受力的非线性响应，并具有开裂、压碎、塑性变形和蠕变的能力。

Solid65单元为八节点六而体单元，每个节点拥有X、Y、Z三个方向的平移自由度，此单元模型在一般范围内可以较好地进行钢筋混凝土的菲线性分析，故本文选择solid65单元模拟混凝土。

(2)钢筋单元模型一一links钢筋用两节点的link8单元，每个节点有两个自由度，可以在X、Y、Z三个方向平移, 此单元能产生塑性变形。

(3)碳纤维单元模型一一shel!41she!141单元平而内具有膜刚性(membrane sitffness)但是平而外不具备弯曲，该单元每个节点具有3个自由度，可以沿节点坐标系X、Y、Z三个方向平移，该单元具有应力刚化和大变形能力。

碳纤维布加固工字型钢梁有限元分析摘要：通过将碳纤维增强聚合物布（CFRP）与受拉面相结合，钢梁的受弯性能可以得到加强。

这种加固梁可能会由于在一个板端开始的CFRP的剥离或由于在局部损伤开始的剥离而失效。

本文介绍了钢梁的有限元模型，使用有限元方法对CFRP加固钢梁破坏进行模拟。

关键词：CFRP；有限元分析；构件屈曲；CFRP剥离引言与混凝土梁类似，钢梁或钢-混凝土组合梁（以下简称为钢梁）可以通过将FRP（通常是CFRP）粘贴到受拉面上从而使受弯性能得到加强。

这种梁在这里称为FRP加固钢梁。

由于CFRP的刚度较高，在钢结构的加固中，CFRP通常比GFRP 等其它FRP更受青睐，因此本文仅关注CFRP的加固。

为了便于讨论，只考虑简支梁。

碳纤维增强复合材料的抗弯强度可同时提高其刚度和强度CFRP加固梁的承载力可由多种可能的破坏模式中的一种或多种控制，包括：（a）平面内弯曲破坏；（b）侧向屈曲；（c）CFRP板端剥离。

其他失效模式包括：（e）抗压边缘屈曲；（f）腹板局部屈曲。

在这些失效模式中，CFRP板的剥离在CFRP加固钢梁的试验中被发现是常见的。

CFRP板的承载能力取决于脱粘时CFRP的贡献，而脱粘时CFRP的贡献又取决于粘结层的粘接应力传递。

因此，准确地模拟碳纤维布与钢接触面的粘结行为在脱粘失效的理论建模中显得尤为重要。

如上所述，在CFRP加固的钢梁中，可能会有板端和中间剥离。

中间剥离开始于缺陷的存在，然后向FRP板的应力较低的地方传播。

这种脱粘与FRP加固混凝土梁中的中间裂缝剥离类似，主要受界面剪切应力的影响。

1 有限元模型使用ABAQUS建立了模型，根据表1-1所示的精确尺寸（模拟构件长度为1100mm）和简支支撑条件，选择通用壳单元，适用于型钢和CFRP板，而利用COHD8对粘结层进行建模在有限元分析。

在有限元模拟中，分析在达到极限荷载后立即终止。

采用正交各向异性材料处理碳纤维布模型。

需要注意的是，虽然有限元模型所采用的几何缺陷和残余应力不一定是准确的，和测试光束中的一样，它们对预测的影响是非常有限的：几何的不完善对由钢截面屈曲控制的极限荷载前的荷载-位移曲线，残余应力仅对曲线靠近的边坡有一定的影响屈服荷载。

碳纤维加固钢梁稳定性有限元分析摘要：随着CFRP的广泛使用，利用它来加固钢结构的研究也越来越深入，但对粘贴CFRP布的钢梁的稳定性研究还较少，本文采用ABAQUS有限元软件对CFRP布加固工字型钢梁的稳定性进行了分析。

结果表明，粘贴CFRP能有效提高工字型梁的稳定性，提高的多少与粘贴的CFRP宽度与厚度密切相关。

关键词：工字型梁；CFRP布；稳定性；有限元模型Abstract: with the widespread use of CFRP, the use of it to reinforce the steel structure of the research is also more and more deeply, but to paste the stability of the steel beam of CFRP cloth is seldom researched, this paper using ABAQUS finite element software CFRP reinforced cloth to work the stability of the steel beam fonts are analyzed. The results show that paste CFRP can improve the stability of the font beam work, improve the pasting CFRP with how much of the width and thickness closely related.Keywords: work fonts beam; CFRP cloth; Stability; Finite element model 1引言现有的钢结构建筑物、构筑物等，由于设计、制造、施工及疲劳荷载作用等因素的影响，导致其强度或是稳定性能不满足要求，而需要进行加固。

碳纤维复合材料在乐器中的有效应用分析
碳纤维复合材料是一种具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳疲劳等优点的材料，已经广泛应用于汽车、飞机、建筑等领域。

在乐器制造中，碳纤维复合材料也有着广泛的应用。

首先，碳纤维复合材料可以用于制作吉他、贝司、小提琴等弦乐器的琴颈和琴身。

这种材料具有很高的强度和刚度，可以有效地抵抗琴弦的张力，使琴颈在演奏时不易弯曲或变形，保证音质和演奏效果。

而且，碳纤维复合材料的疲劳寿命比传统材料长，能够使乐器更加耐用。

其次，碳纤维复合材料还可以用于制作打击乐器，如鼓棒、木琴、钢琴键盘等。

由于这种材料具有极高的弹性模量和抗拉强度，可以使打击乐器发出更加清晰、明亮的声音，而且更加耐用，不易变形或破裂。

再次，碳纤维复合材料也用于制作管乐器、铜管乐器等的哨片、支架等零件。

这些零件需要具有一定的强度和稳定性，以保证演奏时的合理振动和音质。

而碳纤维复合材料正好可以满足以上要求，并且其良好的尺寸稳定性可确保管乐器声音的稳定性和准确性。

此外，碳纤维复合材料也用于制作一些特殊乐器，如电吉他的吉他面板等，可使得这些乐器具有更高的音质和音量，并且更加耐用。

总之，碳纤维复合材料在乐器制造中具有广泛的应用前景，能够为乐器的音质、演奏效果和耐用性提供更好的保障。

带长圆孔碳纤维复合材料圆管的振动试验与仿真分析李艳楠【摘要】以实际工程背景为基础,对以带长圆孔圆管为主要部件的结构进行动力学试验,得到结构的基频.采用商业有限元软件ABAQUS,通过数值模拟计算得到结构的前几阶频率与模态.通过数值计算结果与试验数据的对比分析,验证了这种数值模拟方法的可靠性,最后在此基础上,对多组带长圆孔碳纤维复合材料圆管进行了数值仿真计算,分析了长圆孔、局部加强部位以及圆管铺层方式(铺设角度、铺层顺序、铺层比例)的设计对带长圆孔圆管基频的影响,结果表明局部加强部位和0°铺层角对圆管基频的影响十分显著.%Based on the actual engineering background,the dynamic test for the structure of circular tube with long circle hole as the main components was done for fundamental frequency.In addition,fore some steps fixed frequencies and shapes of the structure were obtained by using the numerical simulation method of finite element analysis(FEA) software ABAQUS.The reliability of the numerical simulation method was verified by the comparison between the finite element analysis and experimental results.It was suitable to analyze diffident kinds of carbon fiber composites' circular tubes with long circle hole by using this finite element method.This study focused on the analysis of Influencing factors of fundamental frequency,such as the length of circle hole and locally strengthened parts and layer design (laying angle,ply stacking sequence,ply ratio) of this circular tube.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)027【总页数】7页(P309-315)【关键词】长圆孔;碳纤维复合材料圆管;铺层设计;基频;数值模拟【作者】李艳楠【作者单位】同济大学航空航天与力学学院,上海200092【正文语种】中文【中图分类】V214.8碳纤维复合材料作为一种新型的高比强度、高比模量的材料，目前已经在航空航天领域得到了广泛的应用[1]。