CFRP的案例
基于宏觀斷裂力學(xué)的CFRP薄壁結(jié)構(gòu)耐撞性能研究及應(yīng)用
隨著壓潰位移繼續(xù)增加，層內(nèi)與層間裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，CFRP圓管被裂紋撕開成內(nèi)層和外層。當(dāng)CFRP薄壁圓管出現(xiàn)分層后，外層層束向外撕裂并隨著壓潰位移的增加以特定曲率半徑進(jìn)行翻卷，而內(nèi)層層束則是向內(nèi)彎曲發(fā)生斷裂，發(fā)生所謂的“開花”變形模式。漸進(jìn)壓潰失效過程是CFRP薄壁圓管主要的吸能過程，能量通過纖維的斷裂、基體的開裂以及鋪層之間的分層進(jìn)行耗散，且CFRP圓管破壞程度越大，總吸能也就越多。
圖5 CFRP薄壁圓管載荷-位移曲線
圖6 CFRP薄壁圓管變形結(jié)果
根據(jù)CFRP薄壁圓管的載荷-位移曲線數(shù)據(jù)，通過式（13）～（16）計(jì)算得到CFRP圓管的耐撞性能指標(biāo)，見表3。
表3 CFRP圓管的耐撞性指標(biāo)
0
3
有限元建模及結(jié)果分析
3.1 CFRP薄壁圓管有限元建模
CFRP薄壁圓管的軸向壓潰試驗(yàn)是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)過程，用有限元分析方法（隱式分析法和顯示分析法）模擬圓管軸向壓潰過程。隱式分析法在接觸條件復(fù)雜的模型時(shí)，計(jì)算結(jié)果不易收斂，而顯示分析不但能夠保證計(jì)算結(jié)果的收斂性，還能很好地模擬準(zhǔn)靜態(tài)工況，所以采用Abaqus/Explicit顯示分析進(jìn)行仿真模擬。
展開 CFRP加固H型鋼梁建模
3.1.1 點(diǎn)擊創(chuàng)建材料，輸入材料名稱CFRP.點(diǎn)擊【Mechanical】，再點(diǎn)擊【Elasticity】→【Elastic】，【Type】選擇【Lamina 】，輸入數(shù)據(jù)。
3.1.2點(diǎn)擊【Mechanical】，再點(diǎn)擊【Damage for Fiber-Reinforced Composites】→【Hashin Damage】，定義材料斷裂性能參數(shù)。
在【Hashin Damage】參數(shù)中依次輸入數(shù)據(jù)
在【Suboptions】中輸入【Damage Evolution】和【Damage Stabilization】參數(shù)
3.2 點(diǎn)擊創(chuàng)建截面，輸入截面名稱CFRP，【Initial ply count】輸入【4】殼，【Element Type】類型選擇【Conventional shell】。點(diǎn)擊繼續(xù)。
雙擊Region，選中CFRP模型，
雙擊Material，選擇CFRP材料
雙擊Thickness，輸入CFRP厚度0.000166
其他參數(shù)按照下表輸入
3.部件裝配
3.1選擇裝配模塊
導(dǎo)入工字鋼部件，選中工字鋼，點(diǎn)擊OK點(diǎn)擊【Tools】選擇【Datum】→【Plane】→【Offset from plane】
點(diǎn)擊選擇工字鋼截面，選中Enter value，方向向內(nèi)，輸入值為500，同樣的方式定義第二個(gè)基準(zhǔn)面。
同樣的方式導(dǎo)入CFRP部件及墊塊，選中CFRP角點(diǎn)，再選擇工字鋼角點(diǎn)，將CFRP移動(dòng)到工字鋼中部
同樣的方法將墊塊裝配進(jìn)來
4.分析步設(shè)置
4.1選擇【Step】模塊，創(chuàng)建分析步，選擇【Static General】
【Time period】填10，幾何非線性打開，增量步參數(shù)設(shè)置如下。
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2.3 工況3
采用Lamina定義CFRP材料參數(shù)
CFRP材料參數(shù)設(shè)置
定義Hashin損傷參數(shù)
CFRP鋪層設(shè)置
CFRP材料方向
定義場變量輸出
計(jì)算效率很低，200個(gè)增量步后終止計(jì)算
工況三計(jì)算結(jié)果截圖
工況三 荷載-位移曲線
三種計(jì)算工況對(duì)比
可以看出，三種計(jì)算工況的荷載-位移曲線的分布趨勢大致相同，但承載能力的大小確有明顯不同。與工況1素混凝土情況相比，考慮鋼筋后的工況2，其承載力增大了7.81%。
計(jì)算機(jī)配置：
Windows系統(tǒng)版本 windows 10專業(yè)版
版本號(hào) 20H2
系統(tǒng)類型 64位操作系統(tǒng)
處理器 Intel(R) Core(TM) i7-10700F CPU @ 2.90GHz 2.90 GHz
機(jī)帶RAM 32GB
計(jì)算耗時(shí)統(tǒng)計(jì)
工況類別
計(jì)算耗時(shí)
工況一
10min50s
工況二
11min13s
工況三
25min
3 總結(jié)
主要對(duì)比了CFRP包裹加固鋼筋混凝土柱對(duì)承載力的影響。分別開展了素混凝土柱、鋼筋混凝土柱以及外側(cè)包裹CFRP加固+鋼筋混凝土柱三種有限元數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：
①CFRP包裹鋼筋混凝土柱對(duì)承載力有顯著影響，包裹CFRP后承載力提升了12.05%。這是由于利用CFRP進(jìn)行加固時(shí)，原有混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)的部分荷載通過粘結(jié)膠層傳遞給CFRP，從而降低了原有混凝土結(jié)構(gòu)的部分應(yīng)力水平，從而起到增強(qiáng)加固的效果。
②利用ABAQUS自帶的混凝土CDP塑性損傷本構(gòu)和Hashin損傷本構(gòu)可以很好地模擬鋼筋混凝土和CFRP包裹加固對(duì)梁、柱、板承載力的計(jì)算。
參考文獻(xiàn)：
[1] 金祖權(quán). 氯鹽-硫酸鹽環(huán)境下鋼筋混凝土腐蝕損傷[M]. 科學(xué)出版社，2021.
展開 海中風(fēng)電塔抗震分析及CFRP加固應(yīng)用
</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202209/74c4a842a6604214b85256bbde35e272.jpg" alt="圖14.jpg" height="304" width="395"></p><p class="ql-align-center">圖14 CFRP 鋪層設(shè)置</p><p>4.2CFRP加固效果分析</p><p>從位移時(shí)程曲線可以看出， 使用 2 層及 4 層 CFRP 加固腐蝕區(qū)域及中段塔筒可以有效減小風(fēng)電塔位移響應(yīng)及位移極值 2 層 CFRP 加固后位移極值降低 23.7％， 4 層 CFRP 加固后位移極值降低 16.8％ ， 但 CFRP 層數(shù)增加為 8 層時(shí)， 結(jié)構(gòu)位移極值增加 11.8％， 且殘余位移由 0.091ｍ增加為 0.766ｍ。 結(jié)合結(jié)構(gòu)震后殘余變形分析也可以看出， 加固方案 B 中 2 層 CFRP 加固效果最好， 可以有效減小塔筒頂部位移響應(yīng)及塔筒殘余變形； 4 層 CFRP 加固雖然可以減小結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)， 但導(dǎo)致結(jié)構(gòu)殘余變形加大， 尤其是上段塔筒殘余變形增加明顯； 8 層 CFRP 加固對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)并未起到有利作用， 一方面增加了結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)值， 另一方面增加了結(jié)構(gòu)殘余位移， 即增加了結(jié)構(gòu)的破壞程度， 尤其增加了結(jié)構(gòu)腐蝕區(qū)域下方和上段塔筒的破壞。
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北鯤教程｜基于ABAQUS的CFRP加固鋼筋混凝土柱承載能力分析
主要對(duì)比了CFRP包裹加固鋼筋混凝土柱對(duì)承載力的影響。分別開展了素混凝土柱、鋼筋混凝土柱以及外側(cè)包裹CFRP加固+鋼筋混凝土柱三種有限元數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：
?CFRP包裹鋼筋混凝土柱對(duì)承載力有顯著影響，包裹CFRP后承載力提升了12.05%。這是由于利用CFRP進(jìn)行加固時(shí)，原有混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)的部分荷載通過粘結(jié)膠層傳遞給CFRP，從而降低了原有混凝土結(jié)構(gòu)的部分應(yīng)力水平，從而起到增強(qiáng)加固的效果。
?利用ABAQUS自帶的混凝土CDP塑性損傷本構(gòu)和Hashin損傷本構(gòu)可以很好地模擬鋼筋混凝土和CFRP包裹加固對(duì)梁、柱、板承載力的計(jì)算。
參考文獻(xiàn)：
[1] 金祖權(quán). 氯鹽-硫酸鹽環(huán)境下鋼筋混凝土腐蝕損傷[M]. 科學(xué)出版社，2021.
[2] 顧祥林. 混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境作用[M]. 科學(xué)出版社，2021.
[3] Erdil, B., Akyuz, U. & Yaman, I.O. Mechanical behavior of CFRP confined low strength concretes subjected to simultaneous heating–cooling cycles and sustained loading. Mater Struct 45, 223–233 (2012). https://doi.org/10.1617/s11527-011-9761-6
[4] 硫酸鹽環(huán)境中CFRP 約束劣化混凝土柱的力學(xué)性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào).
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主要對(duì)比了CFRP包裹加固鋼筋混凝土柱對(duì)承載力的影響。分別開展了素混凝土柱、鋼筋混凝土柱以及外側(cè)包裹CFRP加固+鋼筋混凝土柱三種有限元數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：
?CFRP包裹鋼筋混凝土柱對(duì)承載力有顯著影響，包裹CFRP后承載力提升了12.05%。這是由于利用CFRP進(jìn)行加固時(shí)，原有混凝土結(jié)構(gòu)承擔(dān)的部分荷載通過粘結(jié)膠層傳遞給CFRP，從而降低了原有混凝土結(jié)構(gòu)的部分應(yīng)力水平，從而起到增強(qiáng)加固的效果。
?利用ABAQUS自帶的混凝土CDP塑性損傷本構(gòu)和Hashin損傷本構(gòu)可以很好地模擬鋼筋混凝土和CFRP包裹加固對(duì)梁、柱、板承載力的計(jì)算。
參考文獻(xiàn)：
[1] 金祖權(quán). 氯鹽-硫酸鹽環(huán)境下鋼筋混凝土腐蝕損傷[M]. 科學(xué)出版社，2021.
[2] 顧祥林. 混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境作用[M]. 科學(xué)出版社，2021.
[3] Erdil, B., Akyuz, U. & Yaman, I.O. Mechanical behavior of CFRP confined low strength concretes subjected to simultaneous heating–cooling cycles and sustained loading. Mater Struct 45, 223–233 (2012).
https://doi.org/10.1617/s11527-011-9761-6
[4] 硫酸鹽環(huán)境中CFRP 約束劣化混凝土柱的力學(xué)性能[J]. 復(fù)合材料學(xué)報(bào).
展開 新技術(shù)：日本研發(fā)可大大縮短CFRP加熱時(shí)間的技術(shù)
新技術(shù)：日本研發(fā)可大大縮短CFRP加熱時(shí)間的技術(shù)。 日本中部電力公司近日宣布，由該公司領(lǐng)導(dǎo)的企業(yè)發(fā)展團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新技術(shù)來縮短薄碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）加工至1／5所需的加熱時(shí)間。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了CFRP的紅外波長，它最有效地吸收熱量并應(yīng)用于加熱器，目標(biāo)銷售目標(biāo)是汽車零部件制造商等。
眾所周知，加工CFRP和使用壓力和加熱是一個(gè)必要的過程，當(dāng)加熱1.5毫米厚的CFRP材料時(shí)，通常需要60秒的紅外輻射。本研究所開發(fā)的新技術(shù)將在12秒內(nèi)達(dá)到同樣的處理效果。地鐵電氣工業(yè)（錫蒂一縣）和佐藤鐵研究所（名古屋）的兩個(gè)企業(yè)也參與了研發(fā)。
根據(jù)中央電力公司的紅外分析結(jié)果，紅外加熱爐及其加熱控制系統(tǒng)分別由地鐵電氣公司和坂崎鋼鐵技術(shù)研究所開發(fā)，同時(shí)，佐藤鐵廠Wi負(fù)責(zé)紅外加熱器的銷售，中央電力公司將擔(dān)當(dāng)銷售顧問的角色，并向大型制造業(yè)客戶推薦。
（原標(biāo)題：日本研發(fā)可將CFRP片材加熱時(shí)間大幅縮短新技術(shù)）
碳纖維布https://www.hongyantu.com/index.php?r=new%2Fview&id=2582
展開 ABAQUS案例：CFRP加固H型鋼梁有限元模擬 ￥19.89
點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，得到CFRP模型。
1.3點(diǎn)擊（創(chuàng)建部件）按鈕，名稱輸入【diankuai】
【Modeling Space】模型空間選擇【3D】,【Type】類型選擇【Deformable】可變形的，【Shape】選擇【Solid】，【Type】選擇【Extrusion】，大致尺寸【Approximate size】輸入2000.
點(diǎn)擊創(chuàng)建矩形，輸入如下坐標(biāo)（0，0），（72，54）點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，點(diǎn)擊鼠標(biāo)中鍵，拉伸深度為30.
2.材料定義與指派
2選擇模塊，定義材料屬性
2.1.1點(diǎn)擊創(chuàng)建材料，輸入材料名稱Q235.點(diǎn)擊【Mechanical】，再點(diǎn)擊【Elasticity】→【Elastic】，定義彈性模量輸入2e5，泊松比輸入0.2。
2.1.2點(diǎn)擊【Mechanical】，再點(diǎn)擊【Plasticity】→【Plastic】，定義材料塑性參數(shù)。（注：不考慮材料塑性變形可不設(shè)置該屬性），【Hardening】選擇【Combined】，在表中輸入Q235鋼材真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。
2.2 點(diǎn)擊創(chuàng)建截面，輸入截面名稱stell，【Category】類別選擇【Solid】實(shí)體，【Type】類型選擇【Homogeneous】均質(zhì)的。點(diǎn)擊繼續(xù)，材料選擇Q235，點(diǎn)擊OK。
2.3 點(diǎn)擊指派界截面，選擇工字鋼，點(diǎn)擊完成，在彈出的對(duì)話框中選擇定義好的截面【stell】，指派完成后模型變成淡綠色說明指派成功。
3.1.1 點(diǎn)擊創(chuàng)建材料，輸入材料名稱CFRP.點(diǎn)擊【Mechanical】，再點(diǎn)擊【Elasticity】→【Elastic】，【Type】選擇【Lamina 】，輸入數(shù)據(jù)入下表。
展開 三維編織碳纖維車身結(jié)構(gòu)的開發(fā)技巧
試驗(yàn)測試方法存在樣片制作和試驗(yàn)周期長、費(fèi)用高等問題，而目前三維編織CFRP的仿真分析方法不成熟，材料數(shù)據(jù)庫缺失，也無法采用傳統(tǒng)的層壓板仿真方法對(duì)CFRP進(jìn)程性能分析預(yù)測。如何合理的應(yīng)用仿真技術(shù)去指導(dǎo)開發(fā)設(shè)計(jì)，是三維編織CFRP在汽車上的應(yīng)用難點(diǎn)和核心技術(shù)。
三維編織CFRP細(xì)觀力學(xué)性能研究
通過三維編織CFRP細(xì)觀力學(xué)性能研究，掌握三維編織CFRP力學(xué)性能預(yù)測及優(yōu)化仿真方法。將三維編織CFRP單胞（形成復(fù)合材料的服從周期分布的最小重復(fù)單元，見圖1）作為研究對(duì)象，其基本構(gòu)成包括四部分：兩個(gè)編織方向的編織紗束（玻纖）、軸向紗束（碳纖）以及基體（樹脂）。仿真過程中首先分別對(duì)絲束和基體進(jìn)行解析模擬，然后通過加權(quán)算法將各部分的彈性數(shù)值模型進(jìn)行復(fù)合，基于漸進(jìn)失效準(zhǔn)則來預(yù)測材料的強(qiáng)度，形成三維編織CFRP細(xì)觀力學(xué)參數(shù)化解析模型。
基于參數(shù)化解析模型對(duì)三維編織CFRP力學(xué)性能進(jìn)行分析，通過材料樣片試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修正，以保證模型精度。通過改變?cè)牧蠀?shù)和編織參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料力學(xué)性能的預(yù)測（見圖2）。
三維編織CFRP車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造共性技術(shù)研究
北汽集團(tuán)新技術(shù)研究院以北汽某自主品牌車型車頂橫梁為依托，通過選材設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析、工藝試制、試驗(yàn)及裝配驗(yàn)證等全流程開發(fā)，開展三維編織CFRP車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造共性技術(shù)研究。
在設(shè)計(jì)階段，基于參數(shù)化解析模型，以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，各向剛度不低于原鈑金結(jié)構(gòu)為約束條件，采用優(yōu)化算法，對(duì)CFRP的編織角度、各方向纖維體積含量等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，為選材設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、編織工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。采用仿真分析方法，對(duì)三維編織CFRP車頂橫梁及其搭載車身總成、整車的各項(xiàng)性能進(jìn)行分析驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于原鈑金結(jié)構(gòu)，滿足性能要求。
展開 碳纖維/聚合物復(fù)合材料熱導(dǎo)率近十年研究進(jìn)展
圖 1 （a-d）材料內(nèi)部熱流分布：（a）純聚合物；（b）加入導(dǎo)熱填料的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料；（c）CFs與其它填料構(gòu)成三維連續(xù)導(dǎo)熱通路的 CFRP 復(fù)合材料；（d）CFs 同向排列的 CFRP 復(fù)合材料；（e）部分聚合物和導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率[13, 19]；（f）不同類型填料 CFRP 復(fù)合材料熱導(dǎo)率；（g）構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò) CFRP 復(fù)合材料熱導(dǎo)率與比未構(gòu)建連續(xù)導(dǎo)熱通路的 CFRP 復(fù)合材料熱導(dǎo)率增長率；（h）CFs 同向排列的 CFRP 復(fù)合材料熱導(dǎo)率與比 CFs 隨機(jī)分散的 CFRP復(fù)合材料熱導(dǎo)率提升率
圖 1（a）、（b）、（c）和（d）分別描述了純聚合物、加入導(dǎo)熱填料、構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)通道和 CFs 同向排列等情況下 CFRP 復(fù)合材料內(nèi)部的熱流分布。由圖可知，三種方案均可以不同程度的提高聚合物的熱導(dǎo)率，其中構(gòu)建三維連續(xù)導(dǎo)熱通路和 CFs 同向排列結(jié)構(gòu)的效果更為顯著。
圖 1（e）列舉了一些聚合物和常見導(dǎo)熱填料在室溫下的熱導(dǎo)率，大部分聚合物的熱導(dǎo)率都在 0.1~0.5 W/(m·K)之間，遠(yuǎn)低于碳纖維、碳基材料、金屬和陶瓷等的熱導(dǎo)率，研究已經(jīng)證實(shí)，采用高導(dǎo)熱材料作為填料可以增強(qiáng) CFRP 的熱導(dǎo)率。此外，加入導(dǎo)熱填料的含量和分布會(huì)影響導(dǎo)熱路徑的分布，進(jìn)而影響復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。當(dāng)添加量較低時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率一般隨導(dǎo)熱填料添加量線性增加，但是熱導(dǎo)率存在閾值，添加量進(jìn)一步增加時(shí)，熱導(dǎo)率不再增加或會(huì)降低。這可能是由于添加量過高時(shí)，填料自身會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致聲子傳輸嚴(yán)重散射。
圖 1（f）匯總了金屬、陶瓷和碳材料等填料后CFRP 復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。可以看出，整體而言，陶瓷和碳材料在高負(fù)載下提升復(fù)合材料熱導(dǎo)率更顯著。
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您知道嗎？碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛哦！
殲轟-7A戰(zhàn)機(jī)采用了CFRP平尾。
2009年建國60周年國防成就展上，報(bào)道了殲-10在鴨翼、垂尾、襟副翼、腹鰭等所有7個(gè)舵面和腹鰭采用了CFRP材料，這與國外這一階段的發(fā)展水平基本相當(dāng)。
2011年通用航空大會(huì)上披露，獵鷹L-15高教機(jī)也采用了復(fù)材的機(jī)頭罩、方向舵和垂尾，其中舵面是CFRP。
在民機(jī)方面，ARJ21新支線飛機(jī)的復(fù)合材料技術(shù)水平大體達(dá)到了這樣一個(gè)水平，算是開了個(gè)頭，但大規(guī)模應(yīng)用尚需時(shí)日。
▲圖1 國內(nèi)某機(jī)型基于“π”形接頭盒段結(jié)構(gòu)成型的CFRP垂直安定面
▲圖2 獵鷹L-15采用了T300CFRP材料制作的尾翼舵面
國內(nèi)CFRP次承力構(gòu)件的廣泛應(yīng)用，與T300生產(chǎn)進(jìn)程密切相關(guān)。材料的國產(chǎn)化，產(chǎn)量的擴(kuò)大化和價(jià)格的低廉化，分別為CFRP次承力構(gòu)件的應(yīng)用提供可能性、適用性和經(jīng)濟(jì)性。從而最終推動(dòng)CFRP次承力構(gòu)件成為國產(chǎn)軍民航空器的標(biāo)配。
這一階段的材料和工藝，都是用T300和手工鋪疊工藝能夠達(dá)到的，因此未來的發(fā)展相對(duì)有把握。但如果制件再大些，承力再大些，就會(huì)涉及主承力結(jié)構(gòu)了。
第三階段，從上世紀(jì)80年代至今，隨著高性能碳纖維和預(yù)浸料-熱壓罐整體成型工藝的成熟，CFRP逐步進(jìn)入機(jī)翼、機(jī)身等受力大、尺寸大的主承力結(jié)構(gòu)中。
美國原麥道飛機(jī)公司于1976年率先研制了F/A-18的復(fù)合材料機(jī)翼，把復(fù)合材料的用量提高到了13%，成為復(fù)合材料史上的又一個(gè)重要里程碑。后期更采用自動(dòng)鋪絲技術(shù)為FA-18E/F制造CFRP的12塊機(jī)身蒙皮，10塊進(jìn)氣管蒙皮，4塊水平尾翼蒙皮。F-16戰(zhàn)斗機(jī)BLOCK50之后也開始采用CRPR復(fù)合材料機(jī)翼。F-22戰(zhàn)機(jī)的復(fù)合材料用量已經(jīng)提高到結(jié)構(gòu)重量的22%。
展開 技術(shù)案例|廣島縣立技術(shù)研究所通過Pam-Form研究碳纖維工藝及量產(chǎn)可能性
碳纖維廣泛用作CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）與塑料結(jié)合，用于高爾夫球桿桿，釣魚竿，網(wǎng)球拍等。對(duì)于大型飛機(jī)例如波音787，飛機(jī)上超過50％的部件采用的都是CFRP。由于輕，強(qiáng)，無銹的材料特性，材料也適用于汽車車身。目前，它僅用于一些豪華車，但如果生產(chǎn)和加工成本降低，CFRP也將用于普通車輛的車身，將大大提升汽車性能。
碳纖維項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是什么
廣島有許多與汽車有關(guān)的中小企業(yè)。碳纖維項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正在測試和研究CFRP加工技術(shù)，以便當(dāng)CFRP在未來的汽車中使用時(shí)，這些中小企業(yè)可以順利接收訂單。
廣島縣有很多高科技金屬?zèng)_壓公司，我們可以期待CFRP在沖壓方面的潛力。CFRP加工研究屬于工業(yè)技術(shù)中心的研究主題，該中心為該地區(qū)內(nèi)的公司提供新領(lǐng)域的技術(shù)方面的支持。
當(dāng)中小企業(yè)進(jìn)行CFRP處理時(shí)，重要的是什么？
確立能夠以低成本進(jìn)行加工的技術(shù)很重要。我們已經(jīng)知道CFRP具有優(yōu)秀的材料特性。但是現(xiàn)在，因?yàn)樯a(chǎn)成本和加工成本都很高，所以還無法量產(chǎn)。
期望材料制造商降低材料成本。我們的研究所致力于降低加工成本，即“提高材料產(chǎn)量”和“縮短生產(chǎn)周期”，并已提交多項(xiàng)專利。
CFRP有什么樣的加工法?
CFRP有很多加工方法，比如“熱壓罐成形”、“熱塑沖壓成形”、“RTM成形”等。
在熱壓罐成型中，利用了“熱固性樹脂和碳纖維復(fù)合材料，加熱熱固性樹脂，使其固化的性質(zhì)。具體做法是使用大型壓力鍋，用高溫、高壓成形。在飛機(jī)、新干線、賽車、人造衛(wèi)星等宇宙技術(shù)中使用的CFRP大部分零件都是用熱壓罐成形法加工而成的。
在“熱塑性壓塑成形”中，利用“熱塑性樹脂和碳纖維復(fù)合材料，熱塑性樹脂加熱后就會(huì)變得柔軟”的性質(zhì)進(jìn)行壓塑成形。
展開 基于OptiStruct的碳纖維復(fù)合材料覆蓋接頭設(shè)計(jì)優(yōu)化 附optistruct用戶手冊(cè)下載
考慮CFRP的設(shè)計(jì)原則、制備工藝等，對(duì)單元密度為1的區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)處理，得到CFRP的覆蓋區(qū)域，如圖4中黑色區(qū)域所示。
3.2 CFRP鋪層角度和鋪層厚度的尺寸優(yōu)化
CFRP的覆蓋區(qū)域確認(rèn)后，對(duì)CFRP的鋪層厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。CFRP通過膠粘接在鋁合金接頭上，粘膠的力學(xué)性能采用供應(yīng)商提供的實(shí)際參數(shù)。CFRP均采用單向帶，單向帶單層厚度0.2mm，各項(xiàng)力學(xué)性能采用供應(yīng)商提供的實(shí)際參數(shù)。
考慮汽車用CFRP的層合板總厚度較薄、鋪層數(shù)少、鋪層設(shè)計(jì)局限性較大，因此只選取常規(guī)鋪層角度0°、±45°、90°，將各角度鋪層的厚度作為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行離散變量（鋪層厚度為單層厚度0.2mm的整數(shù)倍）的尺寸優(yōu)化。尺寸優(yōu)化的邊界條件為Z向抗彎與Y向抗彎工況下的剛度適當(dāng)提升，目標(biāo)值為整體增重最小。
與各向同性材料的尺寸優(yōu)化不同，復(fù)合材料的尺寸優(yōu)化除了上述位移邊界條件以外，還需要考慮復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則與制造工藝。根據(jù)復(fù)合材料設(shè)計(jì)原則，碳纖維的鋪層角度與鋪層順序應(yīng)當(dāng)滿足均一性、均衡性、對(duì)稱性的要求，在尺寸優(yōu)化中需要增加如下的復(fù)合材料制造約束：
（1）均一性，要求各種角度的鋪層均勻。因此設(shè)置0°、90°的鋪層厚度大于0.4mm（至少2層）；
（2）均衡性，要求某個(gè)正、負(fù)角度的鋪層數(shù)量相等，例如±45°。故設(shè)置45°與-45°的鋪層厚度相等。
CFRP各角度鋪層厚度的尺寸優(yōu)化結(jié)果如表3，層合板共計(jì)10層，總厚度2.0mm。
展開 使用CFRP筋的混凝土梁粘結(jié)滑移
用非線性彈簧考慮的粘結(jié)滑移，聽說CFRP筋不考慮塑性，怎么才能使跨中力位移曲線出現(xiàn)水平段呢？？？
