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摘 要

因为碳纤维热塑性复合材料所具有的密度小、高抗冲击性、成型周期短且无化学反应预浸料存储期长、易修复、废品可回收利用等优良物理化学特性，其在工业、航空等行业的应用越来越多。但是在复杂外部条件下，其内在纤维分布的均匀与否对复合材料的内部应力有着很大影响，进而影响着材料的性能。本课题旨在利用有限元分析软件MAC.MARC建立3个模型（均匀、富纤、富脂），通过网格划分、定义材料特性、边界条件，随后进行后处理，选择典型碳纤维点位，提取所需应力数据，通过合成计算得出碳纤维应力数据作图，分析得出结论。分析说明：热塑性复合材料的内部应力会受到纤维分布状态的很大影响，不均匀的分布状态可能会造成材料局部应力集中,从而使材料内部损伤的过早发生。

关键词： 碳纤维 热塑性复合材料 纤维分布 应力集中

Effect of Fiber Distribution Ununiformity on Internal Stress of CFRTP

ABSTRACT

Because CFRTP has excellent physical and chemical properties like small density、high impact、short molding cycle and no chemical reaction in material、long storage period、easy to repair and scrap can be recycled, CFRTP has been applicated in industrial、aerospace and other industries. However, in the complex external conditions, the uniformity of the fiber distribution has a great influence on the internal stress of the composite material, which influences the performance of the material. This topic aims to use finite element analysis software MARC to build three model (uniform, polynosic, rich resin ), through the meshing、defining material properties and boundary, then through the reprocessing, choosing typical carbon fiber and finding stress data, the stress of carbon fiber can be obtained by the synthesis of force, analysising and we can make conclusion. The analysis shows that the internal stress of thermoplastic composites will be greatly affected by the distribution of fibers, and the uneven distribution may cause local stress concentration of the materials, which can cause premature damage of material.

Key Words: CF；FRTP；Fiber distribution；Stress concentration

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2研究意义和应用前景 2

1.3 经济性分析 2

1.4 研究现状 3

1.5 研究内容 4

第二章 复合材料基础知识 6

2.1复合材料定义的介绍 6

2.2复合材料层压板的介绍 6

2.3碳纤维热塑性复合材料 6

第三章 有限元模型的建立 8

3.1建立三种平面模型并对其进行定义 8

3.2边界条件及载荷工况定义 11

第四章 数据处理和结果分析 12

4.1模型运行 12

4.2数据提取 12

4.3数据计算与分析 18

第五章 结论 21

参考文献 22

致 谢 24

第一章 绪论

1.1引言

近些年，以热塑性树脂为基体的纤维增强热塑性复合材料发展迅猛，研发此类高性能的复合材料成为一种研究热点[1]。加热热塑性复合材料使其软化，然后可以通过再加工将其制成另外具有不同几何形状的产品。热塑性复合材料的一生可以被多次循环再加工，但是它的性能不会出现太大变化。

纤维增强复合材料因为具有比强度、比刚度高的特性，而且具有高度可设计性，现在已经被用于各个领域，诸如交通（图1-1碳纤维汽车车体）、能源（图1-2风电机）、体育（图1-3碳纤维滑雪车）和航空（空客A350支架）等[2,3]。

图1-1碳纤维汽车车体

图1-2风电机 图1-3碳纤维滑雪车

随着时代的发展，人们对于复合材料的研究推动着科学技术不断向前。复合材料作为一种新材料，其研究深度和广度以及生产的速度和规模，都可以作为评价一个国家科技实力的指标之一。这几年，我国复合材料行业正处在一个繁荣时期，市场需求庞大，在这个需求刺激之下复合材料产业将会有很广阔的发展空间[4]。较之于普通复合材料，热塑性复合材料具有更好的性能，如密度低、高抗冲击性、很短的成型周期并且成型过程无化学反应，预浸料的存储期很长、材料易于修复、产生的废品可被回收利用等[5]。

1.2研究意义和应用前景

在当今全球资源储量不断下降和环境日益恶劣的今天，为了缓解资源紧张和保护环境，复合材料的研究就显得格外有意义。

碳纤维增强的热塑性材料拥有碳纤维以及热塑性塑料的许多优点,性能上相互补足,从而拥有了特别良好的力学性能。因为碳纤维热塑性复合材料的诸多优点，因此其可以作为一种新材料用于工业生产当中。碳纤维热塑性复合材料在纺织加工、化工器材和集成电子等工业制造领域崭露头角[6]。

碳纤维热塑性复合材料作为一种良好的材料，以其优良的物理化学性能作为传统材料的替代品对节约现有资源和保护环境发挥着积极而且有效的作用。碳纤维复合材料的应用范围广阔，研究意义巨大。但无论使用在何种场合，都必须保证足够的力学特性，然而复合材料中的碳纤维分布均匀与否对其力学性能有着很大影响，因此有必要研究碳纤维分布均匀性对于复合材料力学性能的影响。

1.3 经济性分析

对比其它种类的纤维复合材料，碳纤维热塑性复合材料加工成型工艺简单，复杂程度和工序量均有所降低，因而碳纤维为增强体的复合材料对于加工企业具有较高的经济性。碳纤维热塑性复合材料的经济性不仅仅体现在它自身的生产过程，同时也为使用它作为零件的替代材料的企业降低了费用提高了利润。最为关键的是因为其热塑性决定了它可被多次循环再利用，较其它复合材料大大提高了性价比。

为了建设资源节约和环境友好型社会，大力发展新材料已经成为热点。我国作为风电机设计制造和使用大国，其叶片、支柱均已采用此种复合材料制成，大大降低了叶片的重量，提高了发电效率。在达到设计要求的同时大量减少了钢等传统材料的使用，达到了资源节约的目的，同时也减少了生产传统材料所带了的巨大环境污染，也为企业带来了更高的经济利益，所以对比钢等传统工业材料碳纤维复合材料有很高的经济性。在航天航空领域如何降低航天器重量一直是制约航天发展的一大问题，碳纤维复合材料可以解决这个问题。对比传统航空材料，复合材料在同等要求下，可以大大减轻产品重量，而且可以带来更佳的产品品质，减少故障和维修，提高了飞机六分之一航速，提高了企业的经济效益。

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