CN104154405B - 一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构 - Google Patents

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Abstract

一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构，其整体为仿竹的加横隔板的圆筒结构，它包括薄壁圆筒结构、横截面纤维的排布方式、横隔板的纵向截面结构，三者紧密相关连；该圆筒结构由碳纤维复合材料加工而成，呈圆筒状；该横截面纤维排布方式体现在纤维的体积分数分布规律上，即横截面面积分数分布规律，内径到外径成指数型分布；纤维的最优体积分数分布函数跟薄壁圆筒结构所受外力状态有关，即Vf＝f(F,M,T)；该横隔板的纵向截面的形状有两种：一，平板形，加过渡圆弧；二，拱形，加过渡圆弧。

Description

一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构
技术领域 本发明涉及一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构。属于材料与结构设计领域。
背景技术 由于结构简单、受力合理、材料用量省、易加工等特点，薄壁筒形结构广泛应用于工程乃至生活领域。然而不足之处在于，薄壁圆筒件容易屈曲。从结构上来说，提高薄壁圆筒件临界弯曲载荷的方法有两个：一是增加壁厚，但是增加壁厚必然会增加重量，这在航空航天领域是不允许的；二是采用桁条结构，在某种程度上来说可以提高其抗弯性能。
经历了大自然界的种种优胜劣汰，竹子形成了其自身最合理、最稳定、最经济的结构形态，表现出很好的机械性能。竹子是空心的，其维管束既是自身的支承体，也是养料的输送管道。在材料和结构方面都可以帮助机械结构的轻量化设计。
发明内容
1、发明目的：本发明的目的在于提供一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构，从而在工程领域实现更好的轻量化设计，使得无论是提升结构性能还是降低能源消耗方面都能有所贡献。
2、技术方案
(1)本发明一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构，其整体为仿竹的加横隔板的圆筒结构，其关键特征是：它包括薄壁圆筒结构、横截面纤维的排布方式、横隔板的纵向截面结构，三者紧密相关连。
该圆筒结构由碳纤维复合材料加工而成，呈圆筒状；
该横截面纤维排布方式主要体现在纤维的体积分数分布规律上，即横截面面积分数分布规律：由内径到外径成指数型分布，分布函数如下：
式中，Ra为内半径，Rb为外半径，R为内缘到某纤维层的距离，η、λ为待定系数。
纤维的最优体积分数分布函数跟薄壁圆筒结构所受外力状态有关，即
Vf＝f(F,M,T)
式中，F、M、T分别为圆筒结构所受的拉(压)力、弯矩、扭矩。
该横隔板的纵向截面的形状有两种：一，平板形，加过渡圆弧；二，拱形，加过渡圆弧。
其中，横隔板外缘可与圆筒外壁相切或突出于圆筒外壁。
其中，横隔板的拱形截面形状跟结构所受外力状态有关，极坐标下表达式即
ρ＝θ(F,M,T)；F、M、T分别为圆筒结构所受的拉(压)力、弯矩、扭矩。
其中，横隔板的拱形截面厚度t1与圆筒壁厚、拱形截面形状及载荷相关；
其中，横隔板的个数、位置与圆筒结构外径、壁厚及载荷相关。
(2)设计基础
取天然竹子，进行纵、横截面剖分，在数码显微镜Dino-Lite AD4113T下观察拍照。利用Image-Pro Plus6.0软件对横截面图像进行处理，提取纤维分布规律；利用Matlab软件，对纵截面图像进行处理，提取竹节等关键部位轮廓曲线，从而在CAD软件中建模、仿真、优化。
由于天然纤维的不均匀性，建模仿真乃至制作成品，效果均不理想。从实际应用角度考虑，可以采用性能稳定且已知的碳纤维及环氧树脂代替竹纤维等天然材料，进行建模仿真及制作成品。
(3)优点及功效：
本发明一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构，其优点是：
1)与金属薄壁圆筒相比，减重达到10％以上；
2)与普通复合材料圆筒相比，抗弯扭能力有所提升；
3)与普通复合材料圆筒相比，抗劈裂能力有所提升；
4)对于特定使用条件，可设计性强。
5)
附图说明
图1是本发明的简化平板形横隔板外缘可与圆筒外壁相切的外观结构示意图。
图2是本发明的简化平板形横隔板外缘突出于圆筒外壁的外观结构示意图。
图3是本发明的横隔板为拱形加过渡圆角的外观结构示意图。
图4是本发明的横截面上实际纤维分布示意图，由内径到外径，纤维直径减小，密度增大。
图5是纤维分布的原理示意图。
图中符号说明如下：
Rb，圆筒结构外径；R，某一纤维层的半径；Ra，圆筒结构内径；
t 圆筒壁厚；t1 横隔板厚度。
具体实施方式
见图1—图5，本发明一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构，其整体为仿竹结构，即加横隔板的圆筒结构，其关键特征包括薄壁圆筒结构、横截面纤维的排布方式、横隔板的纵向截面结构。三者紧密相关连。
该圆筒结构由碳纤维复合材料加工而成，呈圆筒状；
该横截面纤维排布方式主要体现在纤维的体积分数分布规律上，即横截面面积分数分布规律：由内径到外径成指数型分布，分布函数如下：
式中，Ra为内半径，Rb为外半径，R为内缘到某纤维层的距离，η、λ为待定系数。
纤维的最优体积分数分布函数跟薄壁圆筒结构所受外力状态有关，即
Vf＝f(F,M,T)
式中，F、M、T分别为圆筒结构所受的拉(压)力、弯矩、扭矩。
该横隔板的纵向截面的形状有两种：一，平板形，加过渡圆弧；二，拱形，加过渡圆弧。
其中，横隔板外缘可与圆筒外壁相切或突出于圆筒外壁。
其中，横隔板的拱形截面形状跟结构所受外力状态有关，极坐标下表达式即
ρ＝θ(F,M,T)；F、M、T分别为圆筒结构所受的拉(压)力、弯矩、扭矩。
其中，横隔板的拱形截面厚度t1与圆筒壁厚、拱形截面形状及载荷相关；
其中，横隔板的个数、位置与圆筒结构外径、壁厚及载荷相关。
下面举实施例介绍本发明：
1)先在Abaqus软件中进行仿真，尺寸为φ100×500mm，圆筒壁厚t＝5mm，一端加横隔板，厚度为5mm，建模时纤维与基体交叉排列。加载方式：加横隔板端受力，另一端完全固支，加载力为拉力F＝50kN，弯矩M＝5kN·m，扭矩T＝0.5kN·m，仿真结果为应力σ＝64.69MPa，位移U＝0.1373mm。
经对100多种竹子统计，对于横隔板的个数及位置推荐每长度外径比为处设置一个，具体情况跟材料及载荷相关。对于横隔板的个数及位置，以铝合金材料为例进行仿真，尺寸为φ100×500mm，圆筒壁厚t＝5mm，带过渡圆角的平板形结构厚度t1＝10mm，建模时纤维与基体交叉排列。加载方式：一段固支，另一端受力，拉力F＝50kN，弯矩M＝5kN·m，扭矩T＝0.5kN·m，仿真结果如下：
2)从某处采得毛竹样本，进行横截面观察，横截面上纤维面积分布规律即体积分布规律，提取纤维体积分布规律得分布函数如记录样本生长环境，定义其受力状态F、M、T，根据已有竹纤维性能，可进行分布规律的验证。
实际纤维分布形式见说明书附图4，即靠近外缘的纤维密、直径小，靠近内侧的纤维稀疏、直径大。考虑到现有条件及手工加工工艺性问题，将附图4简化为厚度不均的纤维层，以T300型号碳纤维为例，从内到外可依次采用12K、6K、3K、1K型纤维进行铺层。
对于横隔板结构，由于天然结构较复杂，可简化为加过渡圆弧的平板形，采用二维三向(0°，-60°，60°)或三维编织，伸出纤维穿过纵向纤维并进行简单缠绕；圆弧过渡处主要以树脂填充。
实际加工时，可先编织横隔板，然后采用一对泡沫芯棒夹住横隔板，进行纵向纤维编织缠绕，待成型后在合适条件下加热加压，固化成型。

Claims (4)

1.一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构，其特征在于：其整体为仿竹的加横隔板的圆筒结构，它包括薄壁圆筒结构、横截面纤维的排布方式、横隔板的纵向截面结构，三者紧密相关连；
该圆筒结构采用性能稳定的碳纤维及环氧树脂代替竹纤维材料，由碳纤维复合材料加工而成，呈圆筒状，尺寸为φ100×500mm，圆筒壁厚t＝5mm；
该横截面纤维排布方式体现在纤维的体积分数分布规律上，即横截面面积分数分布规律：由内径到外径成指数型分布，分布函数如下：
<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mi>b</mi> <mo>-</mo> <mi>R</mi> </mrow> <mrow> <mi>R</mi> <mi>b</mi> <mo>-</mo> <mi>R</mi> <mi>a</mi> </mrow> </mfrac> </mrow> </msup> </mrow>
式中，Ra为内半径，Rb为外半径，R为内缘到某纤维层的距离，η、λ为待定系数；
纤维的最优体积分数分布函数跟薄壁圆筒结构所受外力状态有关，即
Vf＝f(F,M,T)
式中，F、M、T分别为圆筒结构所受的拉力或压力、弯矩、扭矩；
该横隔板的纵向截面的形状有两种：一，平板形，加过渡圆弧；二，拱形，加过渡圆弧；
横隔板的个数及位置为每处设置一个。
2.根据权利要求1所述的一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构，其特征在于：该横隔板外缘与圆筒外壁相切或突出于圆筒外壁。
3.根据权利要求1所述的一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构，其特征在于：该横隔板的拱形截面形状跟结构所受外力状态有关，极坐标下表达式即ρ＝θ(F,M,T)；F、M、T分别为圆筒结构所受的拉力或压力、弯矩、扭矩。
4.根据权利要求1所述的一种仿竹结构的碳纤维复合材料薄壁圆筒结构，其特征在于：该横隔板的拱形截面厚度t1与圆筒壁厚、拱形截面形状及载荷相关。
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