两相材料消防云梯车梯架系统的设计分析研究毕业论文.docx

分类号 学号 M201270504 学校代码 10487 密级硕士学位论文两相材料消防云梯车梯架系统的设计分析研究学位申请人：学科专业：车辆工程指导教师：黄其柏教授答辩日期：2015年 5月18日A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the RequirementsFor the Degree of Master of EngineeringDesign and Analysis of Two-phase material Ladder Structure of Aerial Ladder TruckCandidate :Qinghua HuangMajor : Vehicle EngineeringSupervisor: Prof. Qibai HuangHuazhong University of Science and TechnologyWuhan, Hubei 430074, P. R. ChinaMay, 2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于保密，在年解密后适用本授权书。不保密。（请在以上方框内打。）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要云梯消防车中被公认的最重要的部分就是梯架伸缩结构。消防和救援能力是云梯车的性能高低非常直观的标志，臂架结构的设计优化和制造水平，决定了云梯车的产品高新科技含量，还有产品所反映的设计人员技术水平。同时，科技日新月异，单一的金属，非金属或有机高分子材料已经无法满足人类对材料的高要求，由多功能材料组成的复合材料，逐渐占据了工程实施的主导地位。碳纤维作为一种新兴的材料，在国内外研究中已经取得了长足的进展，其和多种其他材料结合的案例，均表现出了对材料结构较好的性能提高作用，而碳纤维本身也有很好的强度、弹性模量、耐腐蚀等好的特性，同时碳纤维和其他材料结合时，也需要更高的施工要求。要同时具备这些条件，需要很高的制备工艺技术。本论文以云梯消防车的臂架结构的优化设计和性能提升作为目标。首先探讨了一种预应力碳纤维有限元仿真方法，在材料参数设置、预应力等效施加、材料厚度对仿真效果的影响等方面，进行有限元仿真，并且检验碳纤维加固法对悬臂梁结构的静力学和模态特性上的优化效果，为实际实施效果提供理论基础，结果表明此种优化方案在悬臂梁结构上能有效的提高其强度和刚度。结合云梯车的工况，运用预应力碳纤维技术进行优化，对梯架结构进行静力学分析和模态分析，模拟臂架在外载荷施加下的静力学情况，以及在模态特性上体现出来的模态特性表现，优化之后，臂架结构在静力学特性上，整体的强度得到了提升，在模态特性上，系统表现出的刚度和得到了加强。并对碳纤维加固钢梁的方案做实际模态试验，通过模态试验的方法，进一步比对，以期得出梯架结构设计方案的有效性和可行性，来证明数值仿真和实际测得的振型一致，而在模态频率上存在一定的差距，两者在竖直方向前两阶模态吻合良好，说明数值仿真计算能准确地完成系统的前两阶自由模态分析。关键词：两相材料，云梯消防车，臂架结构，有限元分析，模态试验ABSTRACTLadder truck is the core component of the most critical arm frame structure system, fire fighting and rescue ability is the most direct, the performance of the aerial arm shelf structure design and optimization, analysis and manufacturing level, determines the aerial product new and high technology content, also reflected in product design personnel technical level. At the same time, the rapid progress in science and technology, single metal, nonmetal or organic polymer materials have been unable to satisfy human high requirements for material, composed of multi-functional materials, composite gradually occupy the dominant position of project implementation. Carbon fiber as a new material, has made great progress in the study both at home and abroad, its case is combined with a variety of other materials, all showed better performance enhancing effect of material structure, and carbon fiber itself also has very good strength, elastic modulus, good corrosion resistance and other characteristics, carbon fiber and other materials at the same time, also need higher construction requirements. Can in order to meet these requirements will not be easy, to improve the preparation process, many of them are around these requirements.This topic on the arm straight ladder truck key technology research and development of high-performance ladder system "project background, to a certain type of ladder of ladder truck performance study of the structure and optimization for the purpose. First discusses a method of finite element simulation of prestressed carbon fiber in the material parameter setting, prestressed equivalent exert, material thickness effects on simulation results, etc., the finite element simulation, and test method of carbon fiber reinforced plastics to the cantilever beam structure statics and modal characteristics optimization effect, providing theoretical basis for the actual effect, the results show that this optimization scheme on the cantilever beam structure can effectively improve the strength and stiffness. Combined with aerial condition, using prestressed carbon fiber technology is optimized, the ladder structure statics analysis and modal analysis, simulation of the ladder structure under the condition of stress, strain, and on the modal characteristics of modal frequency and vibration mode, after optimization, arm shelf structure on the static characteristics, the overall strength has improved, on the modal characteristics, system show that the stiffness and strengthened, and both structure satisfies the requirement of strength and stiffness. Scheme of girder of reinforce in CFRP do real modal test, by the method of modal test further compare and verify the validity and feasibility of the ladder structure optimization scheme, to prove that the numerical simulation and actual measured vibration mode is consistent, and there is a certain gap on the modal frequency, both in the vertical direction are in good agreement with those obtained in the first two order modal, numerical simulation calculation can accurately complete the system of the first two order free modal analysis. Keywords：Two phase materials,Ladder truck, Arm shelf structure, The finite element analysis ,Modal testing.目录摘要IABSTRACTII目录IV第1章绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 本文主要研究内容5第2章 预应力碳纤维加固钢梁有限元分析62.1综述62.2碳纤维加固钢梁三维模型建立72.3有限元模型材料属性的定义82.4有限单模型的网格划分92.5对模型施加载荷并定义边界条件92.6在有限元分析中施加预应力处理方法102.7有限元仿真结果122.7不同厚度碳纤维布预应力加固钢梁效果研究172.8本章小结18第3章 两相材料云梯车梯架结构有限元分析193.1 综述193.2梯架结构的有限元建模193.3臂架结构优化前后静力学对照分析253.4 优化前后云梯车梯架系统的模态分析263.5 本章小结32第4章 碳纤维加固钢梁验证模态试验344.1综述344.2测试设备344.3测试目的344.4测试方法354.5试验准备和试验流程354.6模态测试结果及分析384.7 本章小结46第5章 总结与展望475.1本文总结475.2本文展望47致谢49参考文献50V第1章绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景近年来,中国大陆经济迅猛发展,高层建筑数目猛烈的扩张,建筑物高度越来越高给救援提高了很大的难度,所以,在城市消防和危险救援方面,云梯车是最高效的救援方式。国内云梯车主要依靠从境外进行进口，进口的车辆往往在价格上非常非常的高昂，因为这个原因，所以我们国家在云梯消防车的保有量上非常的少，国内有资质研发量产这种车辆的资质的公司非常的少。这一块的市场潜力极其的大。现阶段较为成熟的企业仅有中联重科公司、沈阳捷通消防车有限公司。云梯车的臂架结构，因为需要承受非常多的载荷，其中有梯架的重力、风的载荷、工作斗重力等等，所以，关乎救援质量、效率的最重要因素就是臂架的性能。综上所述，将云梯结构进行优化，引入预应力碳纤维材料，并对优化的结构进行仿真分析,分析结构的强度、刚度、模态特性，以期望结构获得更强,更稳定的性能,在云梯车设计领域，具有巨大的意义。本文着重为云梯车的梯架结构进行材料组合上的优化，并分析优化后的静力学、动力性能。1.1.2 选题意义1.探讨预应力碳纤维的有限元仿真方法，来运行静力学以及模态的分析，研究预应力碳纤维材料加固钢梁的优化作用，为梯架结构的优化设计做铺垫。2.在云梯车的臂架结构上，尝试采用预应力碳纤维材料加固臂架钢结构技术，探讨预应力加固的可行性以及操作性，并且寻求一种数值仿真的方法对该方案进行贴切可靠的模拟，定性的分析预应力碳纤维材料对臂架结构的优化作用。并用模态锤击试验对该方案在模态特性上的性能的提高进行验证。3.本文的研究重点着重于云梯车臂架的性能优化，可以在梯架的整体性能提高上取得一定的成果，为之后实施于新型梯架模型乃至实体云梯车的开发和研制提供理论基础。1.2 国内外研究现状1.2.1 云梯消防车与碳纤维加固技术概述云梯车外观结构不甚复杂，行动灵活，车辆工作有很高的安全性，救援效率高，在应急救援和消防领域有很重大的意义。云梯车几乎所有的动作，主要采用电控液压驱动。整体的操控采用的是电液比例阀来驱动的液压控制系统。借助液压换向阀，车辆可以完成下车电路联锁功能，完成顺序控制。云梯车的作业平台和实现变幅运动的梯架包括工作斗系统，能够达到自动调平互锁的状态，让车身一直处在水平的位置。碳纤维加固技术，已经在国内外项目施工中得到广泛应用,特别在航天领域相对成熟。碳纤维材料有很多优点，在材料的强度、刚度和耐腐蚀性、耐热性上有极好的表现,目前也已经拓展到土木等其他应用领域当中。1.2.2 国外研究现状与进展 举高类的消防车，也包含了本文论述的云梯车，在西方的研发已经有超过100年的发展史，目前早已获得了举世瞩目的累累硕果，其技术和功能均已经达到了高度的科技含量。我国以外的有6家水平世界领先的消防云梯车制造商，最著名的有日本森田，还有德国马基路斯。日本森田泵株式会社，是国际享有盛誉的著名消防云梯车制造厂家。该厂独有的罗盘旋转调平云梯车，全伸的高度达到了50米以上。该款云梯车，现场作业时，能够在55秒内完成准备工作，95秒可以达到最高的伸展高度。该款车有3种工作状态：可以安装工作斗；可以使用升降机；或者使用直升负载工作，操作非常便利，车辆结构紧凑。改云梯车可以应用于灭火、救生等消防救灾的场合，国际上消防云梯车的研发团体一致认为，多功能化是云梯车今后发展的大趋势。加固钢件，目前为止有常用的几个方案。第一个是加大工件截面,第二个是增加外在杆件支撑法,第三个便是预应力施加法。传统的加固法,一般会使用焊接技术，该种方法实施过程中产生高温，会使得结构产生巨大的应力，是人们诟病的一点；铆接加固，需要在工件上打孔,会降低结构的强度，也是其最大的缺点。碳纤维布通过粘胶，粘贴到需要加强的工件，避免了对原来工件的损伤。上世纪,英国、美国等国，率先将碳纤维材料在航空航天领域加以应用。1982年,瑞士科学家梅尔，率先在土木领域使用复合材料加固技术。几十年来，通过大量的试验和分析，该技术取得了令人瞩目的发展。Gang Rao以及其他科学家，率先计算出了使用混凝土和碳纤维的极限应变，作为界限点，在这种情况下，梁受压区幅度和梁的高度之比。，通过迭代法修正方法,综合了碳纤维与混凝土滑移对结果的改变，来分析内应力。纤维材料加固法因为好处很多,在土木领域已经广泛应用了。最近，通过碳纤维材料来加固金属工件，也被证实有诸多的好处。碳纤维加固法来加固钢结构,能够加强系统的强度和刚度,有巨大的实际项目意义。碳纤维加固法，可以通过几种方式来施加:1.结构的受拉面进行加固,可以提升抗弯性能和结构的刚度,此种加固方式应用最广泛；2.面向钢梁的疲劳损伤, 通过加固，使得其疲劳寿命得到提升，是高效的加固方法；3.加固钢梁的连接点；使用碳纤维环绕钢梁,加强其强度和抗压性等。国外在碳纤维布，应用于加固钢结构的方向上，做了大量的试验研究。Mertz等人，采用多种碳纤维加固措施，以工字梁为对象，做了试验研究。结果表明:铝合金蜂窝板先于碳纤维材料之前进行施工，能极大加强结构的刚度和强度。两位科学家，使用碳纤维材料在工字梁上,结论是，碳纤维板会产生断裂，以及碳纤维材料之间分层,而不是材料和粘胶的剥离。还工字钢的腹板破坏部分做了试验,破坏处的碳纤维产生了剥离,同时强度并没有显著提升。,针对疲劳时间，运用碳纤维板，和腐蚀后的钢梁粘接，进行了试验。等人，运用预应力碳纤维技术，抑制了裂纹的发展,提升了钢结构的疲劳寿命。相较于早先的技术,非预应力的碳纤维材料加固技术，有很多优点,同样也存在问题，包括无法获得高强度高模量的性能。总结起来如下：(1)实际作用依赖于粘胶以及钢结构件接触的面光洁程度；(2)无法发挥高强度特性，碳纤维材料仅仅只在构件变形后才逐渐发挥作用，对构件的加固效率不高；(3)其提升工件的承载能力幅度很小。加固前后，对整体钢结构系统刚度的提升也不是很高。所以，预应力碳纤维，作为在传统技术上的创新技术，具有非常重要的意义。1.2.3 国内研究历程及发展现状上世纪七十年代末，国内企业引进了一部分科技成分高的云梯车，运用测绘和学习，中国具备了一定的云梯车技术，但是缺少高科技的附加值，与国外同类的车辆进行对比，在各方面的性能还是远远的落后。与此同时，国内有资质可以量产云梯车的企业寥寥无几，无法形成完善的产业链。近十几年来，国内几个来自湖北随州还有其他地区的专用汽车公司，在国外先进技术的基础上，自主研发的能力也不断的增强，为云梯消防车的民族品牌发展作出巨大的贡献。截止论文定稿之日，国内的汽车生产资格的公告，消防云梯车的生产单位达到三十几家，但能生产消防车云梯车的高端车辆，国内仅有中联重科，沈阳捷通等少数厂家。国产云梯车工作的高度处在32米至53米的区间，和国外最大可伸展60米的高端云梯车相去甚远。中国沈阳捷通作为行业的领头羊，近30年的研发和量产的历史，其产品的工作高度已经从最开始的20米，提升到了现在的40米；中联重科研发的消防云梯车，做到了从25米提高至53米。近两年，中联重科斥巨资开发了一款高达一百一十三米的云梯车。但在中国实际采用的质量较好的云梯车依然大部分从国外高价引进。目前,国内自主研发的消防云梯车仍然远远落后于国外的同类产品的水平，主要在以下几方面：云梯消防车全伸展的高度，车身轻量设计优化，车辆智能操作还有远远不够，不能确保车辆在危险的工况下，保证车身和人员的安全，同时零部件生产质量和供应链不足。主要是梯架结构力学的性能关键部位生产研发能力差，主要依赖于进口。国内生产厂商在今后的发展过程中，要重点攻关以上问题，提高科研能力，提升自主创新的能力，提高产品的技术含量，向国外靠拢，提升云梯车和乃至全品类高空消防车质量。国内的纤维材料加固，是近几年刚刚兴起的技术，发展不过短短的时间。依托于迅猛发展的市场和逐渐的技术积累,该技术经过各大高校包括科研机构的努力研究，该技术在研究的范围还有研究的深度上取得了一定的突破。曹双寅等人，经过长期的理论研究包括试验，发现了经过碳纤维加固的梁结构，影响梁的正截面的最大原因是由于纤维配置率以及钢筋配置率。叶列平等人，研究了碳纤维加固的梁结构，其正截面因为弯曲而产生的损坏和结构的极限状态，表明了加固完成后，梁的正截面强度主要受以下几方面的影响：实施准备时的配筋的特征值,还有加固特征量,起始弯矩和加固前极限弯矩之间的比。部分高校和研究所着手研究碳纤维材料加强金属工件的方法。张宁等借助试验证实碳纤维加固有很好的加强工件的强度还有减轻工件的应力分布,验证了多种粘贴的参数因素是如何改变粘结界面之间的应力的,并且研究粘结界面的受力状况从而推导出粘结界面之间的剪切应力对应的公式。杨旭华等科学家，研究碳纤维材料，加固薄壳钢材，通过不断的试验，发现构件的抗破坏能力得到了加强。候发亮等人发现，碳纤维材料，加固工字梁还有矩形梁，并且进行了试验。证明了该方法对工件的承载力有强化的作用。综上所述，一般情况下该种加固方法，碳纤维布的优秀的材料特性没有发挥出来,所以无法特别好的加固构件,最最核心的因素是，在弹性模量上，碳纤维材料和钢构件相差不多,碳纤维材料不容易发挥效果。本文探索的预应力碳纤维材料，使用该种材料加固云梯车臂架,以期改善此类问题。1.3 本文主要研究内容本文的主要研究内容如下：1. 本文试图探讨一种预应力碳纤维材料，运用到加固钢结构上,期望改善钢结构的力学性能。尝试采用预应力碳纤维加固技术，探讨预应力加固的可行性以及操作性，并且寻求一种数值仿真的方法对该方案进行贴切可靠的模拟，定性的分析预应力碳纤维材料对梯架承载能力的优化效果。在材料参数设置、预应力等效施加、材料厚度对仿真效果的影响等方面，进行有限元仿真，并且检验碳纤维加固法对悬臂梁结构的静力学和模态特性上的优化效果，为实际实施效果提供理论基础。2. 对云梯车臂架结构系统实施几何建模。确定单元的类型，确定材料的属性参数，提交约束边界条件，通过有限元软件对梯架进行有限元模型建模。将预应力碳纤维仿真方案应用于臂架系统之上，数值模拟其静力学和动力学的优化效果，查看臂架结构水平极限工况下的承载能力，查看整体的应力、位移和最大应力的位置，并和原臂架系统进行对比。3.运用有限元分析的软件，动力学分析优化后的梯架的结构，分析梯架结构的前六阶模态以及振型。比较优化前后两种梯架系统的模态特性。结合云梯车的工况，运用预应力碳纤维技术进行优化，对梯架结构进行模态分析，模拟梯架在模态特性上体现出来的模态频率和振型等表现。并对碳纤维加固钢梁的方案做实际模态试验，用LMS模态测试系统为设备，采用单点锤击测试法，通过模态试验的方法，以期得到臂架结构在此优化方法下优化效果的有效性和可行性。第2章预应力碳纤维加固钢梁有限元分析2.1综述碳纤维结构加固的实施只是在近几十年来才逐渐盛行，追溯其历史，它拥有超过一百年的发展历程。 1879年，一个改变历史的发明，托马斯爱迪生发明了电灯泡，在这个过程中，爱迪生试验过成百上千的种类的材料，最终发现，采用竹纤维，棉，粘胶，然后炭化，作为灯丝的制作工艺，可以让灯泡亮的时间更加的长。二战结束后，德国研制成功型V-2火箭，并用它来攻击英国，研制并发射卫星。碳纤维材料的轻便、耐腐蚀耐高温、有较高的弹性模量等等优点，使其成为科学家的最爱。碳纤维复合材料的特点是：轴向拉伸强度高，拉伸强度沿纤维方向是比普通钢，这是普通碳钢约10倍还大得多。它的重量轻，便于施工作业，耐用性，并具有良好的耐腐蚀和抗老化性能，无需采取特别的预防措施。碳纤维是比普通钢具有更高弹性模量，以及更高强度的材料。2.1.1预应力碳纤维法简介1、预应力碳纤维法目前工程上在预应力碳纤维方法上总结了其的一些缺点。最主要的就是碳纤维材料无法充分利用高强度高弹性模量的优点。究其原因是碳纤维材料的强度极其的高,但是只有在较大的变形之下，才能发挥这个特性。碳纤维布经过粘胶和钢结构一起作业时,钢结构屈服时,产生的应变并不是很大。因此减弱了碳纤维材料的加固性能。在碳纤维材料上，施加外加的预应力,紧接着用胶水使两者固结,使得钢结构在加载的时候，碳纤维就利用了高强度的优点,并且工件的裂缝也能得到抑制,提高工件的承载能力。2、预应力碳纤维加固特性介绍(l)加强钢结构的强度。在梁的截面拉伸区域的应力，产生压力，能够有效的让加载之下的梁的裂缝宽度程度减少；预应力的相反作用力，可以有效的使工件的变形量降低。(2)最大限度施展碳纤维在性能上的强度优势。因为碳纤维在强度上有很高的表现,然而弹性模量却很小,当碳纤维材料收到了预应力的作用,便能在钢结构工作之前发挥其材料特性。(3)在没有提前作用力的碳纤维布加固技术,粘结层的剥裂将会首先发生；通过预应力加固,钢结构的垂直方向变形能得到很大抑制,剥离剪应力也很大程度得到降低的,减少了粘结剥坏的可能性,很大程度上提升结构最大承载力。(4)在预应力碳纤维施工中，对施工的设计，会变得比以往更加的繁杂和严苛。2.1.2有限元分析介绍有限元法是把需要分析的系统近似为若干的在节点互连的单元组成，由计算机计算出近似解，单元的划分上给出了很多不一样的尺寸解决方案，有限元法对各种几何形状能够适应，同时兼容了各种材料属性，还能兼顾到繁杂的边界条件。有限元模型是由众多的单元链接而成的。单元和单元之间的相连需要节点来实现，同时节点还有承载载荷的作用。线弹性有限元分析的对象，称作理想的弹性体结构，变形符合小变形假设原则。在这种背景下，材料应力应变曲线为线性的，符合广义胡克理论；线弹性问题需要运用线性方程的解来解决，可以花费较少的时间。借助效率比较高的代数方程求解，能很大程度减少计算时间。静力学分析：分析三维系统结构只承受静载荷工况下的应变应力位移等表现，静力学表现优异，却不能等同于动力学表现同样强劲。在实际工作时，系统需要承载多种多样的激励和载荷。假设激励的频率异常的靠近工件的固有频率，就会产生共振的现象，即使很小的干扰也能对工件产生很大的影响。整体结构的共振也是很危险的，因此动力学分析显得尤为重要。2.1.3有限元分析软件ANSYSANSYS软件是大型通用有限元分析软件，由来自美国的ANSYS公司出品。ANSYS可以提供自带的网格划分。与此同时，非线性分析能力也是业界中的翘楚。目前软件能与目前几近所有CAD/CAE/CAM软件对接，可以很方便的在软件之间实现互通和交流。ANSYS Workbench是ANSYS公司花大力气研发的有限元平台，交互的工作面十分的友好，操作起来也是非常的简便，又因为分析能力十分强劲，开创了有限元分析的新纪元。2.2碳纤维加固钢梁三维模型建立在有限元建模之前，有必要对有待分析的具体工件做简化。预应力碳纤维材料加固钢结构梁，满足以下原则：在分析的过程中,碳纤维材料、钢梁的应变应该符合变形协调的原则；碳纤维布与钢梁间为完全粘结,不产生相对的移动；最后，钢梁在碳纤维材料加固前后，系统的承载能力是足够的。下表2-1为碳纤维加固钢梁三维模型的主要尺寸数据：表 2-1碳纤维加固钢梁三维模型主要尺寸 单位：mm钢梁板长度钢梁板宽度钢梁板厚度碳纤维布厚度100010042将建好的模型转换成STP格式，用ANSYSWorkbench 打开后效果如图2-1：图2-1 碳纤维加固钢梁三维模型图2.3有限元模型材料属性的定义本文中使用高强度钢和碳纤维材料，材料参数为：表2-2 有限元分析材料参数材料材料性能备注钢梁E=200Gpa；=0.3各向同性材料碳纤维材料Ex=300Gpa；Ey=Ez=1Gpa；各向正交异性材料2.4有限单模型的网格划分因为碳纤维布与钢梁之间通过特殊的胶水进行结合,他们之间界面不会有相对运动,可以让碳纤维布和钢梁之间进行固结的处理。在ANSYS Workbench软件中，进行网格划分，要权衡网格的规模量级。网格划分太过于细密的话，虽然提升了结果的精度，却要将分析的时间成倍的增加了，网格划分须权衡需求和效率。文中的系统CAD建模时，结构十分的整齐规整，因此使用自动网格划分。定义全部的网格质量为“Fine”，其余默认。软件生成网格后，整体的结构网格见下图2-2：图2-2 网格划分示意图2.5对模型施加载荷并定义边界条件约束：对该模型进行悬臂梁等效处理，固定一端，另一端自由。预应力的施加：经过查询国内外的资料，可以利用碳纤维材料特性，在有限元分析中，使其产生预应力。具体方法是，碳纤维材料的温度线膨胀系数，比较特殊,是一个负数，因此当温度升高时，碳纤维材料会产生收缩的效应,在实际中相当于使碳纤维材料产生预拉应力,相对的，与之相连的钢结构梁，便会收到预压应力。施加外载荷：本分析案例受力情况较为简单，首先受重力作用，重力系数取；并且根据自身和云梯车臂架系统的比例，外力施加-Z方向的力1000N。2.6在有限元分析中施加预应力处理方法等效建模处理：为了验证升温法施加预应力的可行性，并且找出环境温度、材料参数和应力之间的关系，在本节中构建单独的碳纤维布模型，通过仿真查看应力来达到目的，验证可行性。约束条件：本节采用两端固支的方法来约束碳纤维材料。环境温度22度，在碳纤维布上施加5000度载荷。通过ANSYS Workbench软件建立有限元的三维模型如下2-3图：图2-3 有限元分析碳纤维材料三维模型图求解后整体变形如下2-4图：图2-4 运用升温法后碳纤维材料整体变形查看碳纤维材料上产生的应力如下2-5图：图2-5 碳纤维材料应力云图实际中碳纤维布加固梁结构时施加预应力如下：根据资料所得，碳纤维布初始张拉预应力Rp0取0.2fCF，即0.2*3 500=710MPa,fCF为碳纤维布抗拉强度。根据前文的结果，在碳纤维材料的轴向方向上，产生最大的应力为1162MPa，表明对碳纤维材料施加的温度过高，需要一定程度的调整。根据这一范围，将温度做下调，最终确定施加温度在2800度，会使得在碳纤维材料在长度方向会产生710MPa左右的应力。此依据将会为下文的有限元分析作为基础。产生应力的示意2-6图如下：图2-6 碳纤维材料上产生的应力2.7有限元仿真结果在确定了有限元分析预应力施加方法之后，将碳纤维加固钢梁模型导入有限元软件经过计算，以期获取应力云图，还有整体系统的位移云图。并且导入比较组进行对比。比较组为未添加碳纤维布的单一钢梁，其他约束条件和外力施加均一致。（1） 位移云图下图2.7和图2.8分别为位移云图：图2.7单一钢板对照组位移云图图2.8碳纤维预应力加固梁位移云图从图中可以看出，钢梁结构在没有碳纤维布加固下的最大位移为203.39mm，远大于钢梁在预应力碳纤维布加固下的最大位移114.64mm。55（2）模态分析 模态分析，通常用来得到结构的固有频率的一种常用方法。同样的模态分析的结果可以很好的帮系统避免共振。理论上，系统结构的振动特性取决于此，因此，模态分析是动力学分析的基础，必须要做的分析，也是首先要做的分析，具有很重要的意义。 模态分析理论阐述到，所有的机械的结构均存在无数个固有频率，把这些个固有频率从大到小依次排列，频率最小的我们把它叫做一阶频率，同理，把接下来的叫做二阶、三阶频率等等。在现实工程分析过程中，工程人员不会去获取所有的无限多个的固有频率，更重要的是，系统的固有频率和频率的阶数成反比，原因是前几阶频率在相同的激励下产生的响应，占了比较大的权重，因此工程上最关注低阶的频率。综上所述，本章节做模态分析时，仅仅只分析一到六阶模态。模态的分析的准备工作，同样要设置结构的材料的弹性模量、泊松比还有密度等小关参数。定义完成模态分析的各项指标之后，便可以开始模态分析的工作，目标是获取结构的前六阶模态固有频率和这六阶模态对应的振型。无碳纤维纯钢板的模态描述如表2-3所示：表 2-3无碳纤维加固纯钢板的模态一到六阶固有频率和振型描述模态固有频率（赫兹）振型描述13.2879Z向一阶弯曲220.6Z向二阶弯曲357.716Z向三阶弯曲463.213绕X轴弯曲震荡581.102Y向一阶弯曲6113.25Z向四阶弯曲1阶模态2阶模态3阶模态4阶模态5阶模态6阶模态碳纤维加固钢板的模态描述如表2-4所示：表 2-4 碳纤维加固钢板的模态前六阶固有频率和振型描述模态固有频率（赫兹）振型描述13.4445Z向一阶弯曲222.263Z向二阶弯曲362.221绕X轴弯曲震荡463.141Z向三阶弯曲579.448Y向一阶弯曲6125.61Z向四阶弯曲1阶模态2阶模态3阶模态4阶模态5阶模态6阶模态优化前后的模态对比：表 25悬臂梁结构加固优化前后模态固有频率比对单位：赫兹第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶第6阶优化前3.287920.657.71663.21381.102113.25优化后3.444522.26362.22163.14179.448125.61上文得出悬臂梁结构，通过模态分析得到的一到六阶固有频率，包括加固前后振型比对表，能够发现加固后悬臂梁的一到六阶振型与加固前是一致的，仅第3、4阶的振型互换。加固后悬臂梁结构的Z向前四阶模态固有频率和加固前相比提升了，说明系统的刚度得到了提升。2.7不同厚度碳纤维布预应力加固钢梁效果研究前文分析对比了有碳纤维材料加固和无碳纤维加固钢梁在静力学和动力学模态特性上优化前后的差异。所采用的碳纤维材料均为厚度为2mm的碳纤维材料，本节将探求厚度对碳纤维产生预应力大小的影响。在相同的材料参数下，运用相同的有限元分析方法，对厚度为3mm和5mm的碳纤维材料进行分析。有限元分析结果如下：碳纤维厚度3mm碳纤维厚度5mm