CFRP碳纖維復合材料的實驗與仿真研究.pdf

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1、CFRP(碳纖維增強復合材料)的實驗與仿真研究元春峰辛志峰,IDC,LenovoFusanobuNakamura,YMT,LenovoJosephHolung,Raleigh,Lenovo摘要:CFRP已成為航空航天乃至高端汽車的重要結構材料,但在電子領域的應用還不廣泛。本文以在ThinkPad產品上的應用,通過對CFRP材料的基本屬性的實驗與模擬,構建了其本構模型,進而應用到整機產品;通過整機產品的實驗仿真對比,積累了CFRP這一復合材料的應用經驗,并指導產品設計優(yōu)化與開發(fā)。關鍵詞:Abaqus,仿真,模擬,CFRP,Th

2、inkPad,CAE前言CFRP(CarbonFiberReinforcedPlastic)由經過碳化的丙烯纖維與環(huán)氧樹脂熱固而成(如圖1所示),是一種典型的復合材料,具有輕密度、高比強度的特點。在航空、交通,體育用品領域得到了廣泛應用,但在民用電子產品領域應用還比較少。對于這一新型的復合材料,通過一定的實驗和模擬計算,來掌握其物理特性,并指導于產品設計是非常必要的。本文先闡述CFRP基材物性的實驗與模擬對比研究,再實驗模擬整個產品在耐壓下的表現(xiàn),最后給出優(yōu)化指導。環(huán)氧樹脂碳纖維圖1.CFRP圖示CFRP基材的實驗與模擬CA

3、E分析中最重要的關鍵環(huán)節(jié)就是物性的準確輸入,只有準確的輸入,加上適當?shù)那蠼馑惴ㄅc技巧,才能夠輸出可信且準確的分析結果,否則就是無本之木,結果也隨之千差萬別。對于CFRP這種復合材料,通過實驗測試其物性并通過仿真分析還原該實驗數(shù)據(jù),是不可取舍的重要一環(huán)??紤]到該材料在筆記本產品上作為頂蓋的材料,以增加頂蓋的耐壓性能,提高筆記本整體剛度;實驗可從試樣的彎曲實驗出發(fā),同時考慮到材料的各向異性,我們在加工好的筆記本頂蓋上切取不同方向的一定尺寸的試樣(如圖2所示),進行彎曲試驗(如圖3所示)。圖2.CFRP試樣制備圖3.彎曲試驗測試以

4、此實驗條件建立了分析模型,設定好邊界條件,設定各向異性的本構來進行分析,通過試算后,選取了表1中的設定參數(shù):E1E2E3V12V13V23G12G13G234200030000200000.350.350.35200002000020000表1.注:由于CFRP材料的復合特性,表1中參數(shù)不具有普遍性圖4.仿真變形云圖圖5.實驗與計算對比曲線圖5中的對比曲線說明,采用表1中的參數(shù)在小變形(5mm以內)吻合程度較高,超過6mm的變形后誤差要較大一些,考慮到在隨后的Ф25mm最大10kg的整機受壓中,由CFRP制成的筆記本頂蓋不會

5、超過5mm的變形,因此,表1中所列出的參數(shù)是在小變形范圍內是適用的,由其得出的結果也將是可信的。筆記本整機的實驗與模擬整個模型中CFRP的材料參數(shù)是未知的,但我們已經通過上面的實驗進行了確定;對于其他材料的參數(shù)可由材料廠商獲得,對于模組部件,如LED顯示屏,復雜的電路板等,均通過壓彎實驗校正模型及參數(shù),這里不再贅述。壓力實驗在筆記本頂蓋上選取五點(A、B、C、D、E)進行測試,該五點位置分布如圖6所示,A點位筆記本頂蓋的中心為位置,其它四點距A點的距離分別為50與100cm,壓頭直徑為25mm,最大壓力值為10公斤力,圖6.

6、壓力測試示意圖圖7.A點壓力實驗與仿真對比圖8.B點壓力實驗與仿真對比圖9.C點壓力實驗與仿真對比圖10.D點壓力實驗與仿真對比圖11.E點壓力實驗與仿真對比圖7至圖11為五點(A、B、C、D、E)的壓力實驗與仿真分析曲線對比,可以發(fā)現(xiàn),除B、E點最大誤差為18%外,A、B、C點的仿真分析值與實驗對比非常吻合。從圖6中的壓力點分布看出,B、E點較A、B、C點更遠離中心區(qū)域,對于靠近邊緣的點來說,存在著實驗誤差與分析模型簡化所引起誤差的積累。同時,即使存在著18%的誤差,對于仿真分析這一領域來說,還是可接受的。仿真分析與優(yōu)化通

7、過整機的壓力分析,進一步驗證了CFRP材料物性參數(shù)的準確性,同時也證明了Abaqus/Standard算法在復雜的整機系統(tǒng)、多部件壓力傳遞接觸模擬的適用性與準確性?;谶@些可靠可信的結果,便可以開展筆記本整體剛度的分析與優(yōu)化。從優(yōu)化角度來講,存在很多的變量參數(shù)去考量,如可以從厚度、層數(shù)、碳纖維密度等方面進行優(yōu)化,本文僅從CFPP的橫豎排布方向(如圖12所示)做一下優(yōu)化驗證。圖12.橫排與豎排的CFRP排布示意圖由于這種復合材料的各項異向性,同時筆記本頂蓋是非完全對稱的,所以在水平鋪排與垂直鋪排方向會有一定的差異,前面提到的基

8、材的實驗也證明了其不同,通過調換本構模型參數(shù)的E1與E2值,可以快速計算出在壓力下筆記本頂蓋的變形量。在這一層面上,仿真分析較傳統(tǒng)的打樣測試節(jié)省了大量的時間與成本,充分展現(xiàn)了仿真分析的價值與意義。圖13為兩種不同排布方式下,頂蓋的抗壓表現(xiàn),通過分析計算發(fā)現(xiàn),橫排的方式較豎排的方式的抗壓性能

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