汽车碳纤维复合材料三种设计许用值论证

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摘 要：本文主要论述碳纤维材料的一些失效模式，并通过样条测试试验和CAE的对标验证，得到开孔拉伸、钉孔挤压和短梁剪切试验的设计许用值，为碳纤维材料的零件设计提供设计指导。

关键词：碳纤维复合材料;失效;设计许用值

1 引言

碳纤维作为战略性的基础材料，是实现低碳经济的高新技术材料。其比重低于铝，具有较高的比强度、比模量与较好的抗疲劳性能：其比强度是普通钢（SAE1010冷轧）的20倍左右，是铝的10倍左右;比模量则超过这些钢和铝材的3倍;钢、铝的疲劳强度是抗拉强度的30%-50%，而碳纤维复合材料可达其抗拉强度的70%-80%[1]。用碳纤维复合材料替代钢或铝可减轻重量达20%-50%。凭借着这些特性，碳纤维材料在航空航天，汽车等领域有着广阔的应用前景。但是碳纤维复合材料一般无法设计造型比较复杂的零件，一方面是因为工艺的限制，另外一方面是碳纤维材料的设计许用值的缺失，无法指导碳纤维零件的设计。本文主要解决的是碳纤维材料的设计许用值缺失的问题。

2 碳纤维样条试验

（1）试验类型和目的。使用T300纤维丝和亚仕兰Pliogrip 7779结构胶进行碳纤维样条使用真空导入成型工艺制作，进行静态力学性能试验，包括开孔拉伸强度、钉孔挤压强度、短梁剪切强度，共计3类试验。其中，开孔拉伸、钉孔挤压试样均为室温铺层[±45/0]3s，短梁剪切试样为室温铺层[0]10。本试验项目将研究材料在不同应力状态下的力学特性，确定材料在不同工况下的强度极限。

（2）试样铺层及厚度。开孔拉伸、开孔压缩、钉孔挤压的试验样条的铺层为[±45/0]3s，共12层，总厚度2.7mm。短梁剪切的試验样条的铺层为[0]10，共10层，总厚度2.25mm。

（3）试验方案。测试设备及测量仪器见（4）。试样的设计标准和试验方法参考表1中的试验标准，测试项目包括开孔拉伸试验、钉孔挤压试验和短梁剪切试验，共3类试验，均为准静态工况，每类试验重复5次，其中开孔拉伸和钉孔挤压的加载速度是2mm/min，短梁剪切的加载速度是1mm/min。

（4）试验设备。电子万能试验机：试验机量程5kN/50KN，0.5级精度，用于静态加载。

（5）试验标准。

（6）试验结果。试验获取得到的强度VS时间曲线如图1。

3 CAE对标分析

（1）失效准则。CAE中采用的失效准则是ABAQUS中的Hashin准则，当失效因子大于1的时候，判断为样条材料失效。

（2）模型建立。1）试件材料属性。试件材料为复合材料，共12层，铺层顺序为[±45/0]3s，总厚度2.7mm。2）模型说明。样条CAE模型说明如下：

4 试验结果和CAE结果对标

如图3所示，试验结果曲线和CAE分析结果曲线基本吻合。

5 结论

开孔拉伸的试验强度和CAE分析强度值分别为222.5Mpa和218.4Mpa，钉孔挤压的试验强度和CAE分析强度值分别为763.4Mpa和763.6Mpa，短梁剪切的试验强度和CAE分析强度值分别为52.3Mpa和52.6Mpa。可以看出试验结果中的平均强度值和CAE分析强度值的相对误差在2%左右。分析结果和试验数据基本一致，所以试验中平均强度值可以作为碳纤维材料的限制许用强度值，为以后碳纤维零件的设计提供重要的理论依据。

参考文献：

[1]黄家康等.复合材料成型技术及应用[M].化学工业出版社，2011

（01）.

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