复合材料成型模具设计与有限元分析.doc

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1、硕士学位论文碳纤维复合材料制品模压成型及其有限元分析Mould Forming of Carbon Fibre-Reinforced Composite Products and Finite Element Analysis作 者：王贵彬 导 师：舒小平 教授中国矿业大学 2013年4月学位论文使用授权声明本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理：作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部分使用权，即：学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存

2、和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）。作者签名： 导师签名：年 月 日 年 月 日中图分类号 TH12 学校代码 10290 UDC 621 密 级 公开 中国矿业大学硕士学位论文碳纤维复合材料制品模压成型及其有限元分析Mould Forming of Carbon Fibre-Reinforced Composite Products and Finite Element Analysis作 者 王

3、贵彬 导 师 舒小平 申请学位 工程硕士专业学位 培养单位 机电学院 学科专业 机械工程 研究方向 复合材料产品设计与制造 答辩委员会主席 肖兴明 评 阅 人 二一三年四月论文审阅认定书研究生 王贵彬 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字： 年 月 日致 谢本文是在我的导师舒小平教授的悉心指导下完成的。在师从舒小平教授的三年中，他严谨的治学态度，忘我的工作精神深深地影响着我。而且在生活上对我也

4、是无微不至的关心和足够的耐心。在学术上，舒老师的教学治学态度使我由衷的敬佩，在给我们上课期间，他总把每节课的教案准备的很充分，把一些很难理解的理论，由浅入深地让每个学生都能接受。舒老师除去教学和行政工作以外，大部分时间都用于学术研究和指导学生。在这三年里，舒老师教给我的做人做事方法，使我受益匪浅，也将影响我的将来。从论文选题到论文撰写中的每一环节都得到舒老师的精心指导和热情关怀，舒老师学术上严谨务实的工作作风，科学熟练的治学方法，渊博厚实的学科知识，使我无比的崇敬。在此，谨向我的导师舒小平教授表示衷心的感谢。同时，非常感谢我的另一位企业导师江飞舟副教授在研究方向和专业技术上给予的悉心指导，为我

5、提供了优越的专业实践条件，让我融入了工程经验丰富的技术团队，获得了宝贵的产品研发的锻炼机会。在我研究和论文撰写期间，机电学院各位老师也给予我很大帮助和指点，感谢乔斌教授，葛藤博士，韩加好博士，刘竹帆、乔凯、董炎峰等同学，以及负责我们在校期间生活和学习的各位领导和老师们。最后，衷心感谢我的家人在我读研期间给予各方面的支持和鼓励。摘 要 本文针对某运动器材的碳纤维复合材料加固件，进行产品设计和成型模具开发。鉴于纤维复合材料属于热固性材料，本项目采用模压成型工艺。将碳纤维复合材料毛坯料进行预热软化，然后将毛坯置入模腔内合模。将模具加热使制品固化成型，然后冷却开模、脱模，最终得到碳纤维复合材料制品。在

6、设计模具时，利用逆向设计方法进行模具设计，模具型芯采用组合块式，便于开模。参数选择方面，计算了模腔内的压力、锁模力等关键参数，使模具材料的选择、精度、服役寿命等方面达到理想的效果。碳纤维层合复合材料层板是由单层纤维布压制而成，各层铺设角度和铺设顺序会影响制品的承载能力。基于层合板壳的经典理论，选择薄板有限单元，借助于ANSYS软件，对制品使用中的峰值载荷进行多参数分析，选择更有利于制品结构特征的铺层方式。对制品模压成型过程也进行了有限元分析，确保碳纤维复合材料制品在模腔内均匀受载，通过选择铺层方式降低应力峰值，防止制品出现损伤。通过这些计算和分析，为复合材料产品设计和模具设计提供设计依据。 该

7、论文有图81个，表7个，参考文献 55篇。 关键词：碳纤维复合材料；层板；模压成型；模具；有限元；强度AbstractDesign of carbon composite reinforced parts in some sport equipment and their mould development are made. Since composites are thermoset, the technology of mould forming is adopted. A carbon composite blank is heat and soften in advance, the

8、n is put in mould cavity and the mould is clamped. The mould is heat and the blank is solidfied and formed. When the mould is cooled and unfolded，the whole process of the carbon composite product is finished. Reversal design technique is used to design mould. The combined mould cores are chosen to m

9、ake mould unfolded easily. Some key parameters, such as the pressure in mould cavity and mould clamping force, are calculated. Desired effects in the material choice, precision and service life of moulds are reached. A carbon composite laminate is made of many layers. The angles and order of layers

10、affect carrying capacity of structures. Based on the classical theory of laminated plates and shells, using a finite element of thin shells in ANSYS software, the stuctrue is analysed with many parameters under peak loads. The optimized ply-up scheme suitable to stuctural features is determined. Mou

11、ld forming of prodcuts is also simulated by finite element method. The carbon composite product in mould cavity is subjected to uniform loads. The peak value of stress is reduced to prevent damage. Design references for design of composite products and their moulds are obtained through numerical cal

12、culation and analysis.There are 81 figures, 7 tables and 55 references in the thesis. Keywords: Carbon Fibre-Reinforced Plastics; laminate; Mould forming; mould; Finte Element; Strength目 录摘要目录图清单表清单变量注释表1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 国内外研究现状31.3 研究方法41.4 论文的研究内容41.5 论文结构52 复合材料结构及其力学性质62.1 复合材料分类62.2 复合材料的特性7

13、2.3 复合材料层合板铺层设计92.4 经典层合板壳理论102.5 复合材料强度准则152.6 复合材料制品模压成型时载荷分析173 碳纤维复合材料制品成型模具设计203.1 制品成型工艺特征203.2 模具设计213.3 模具装配与工艺263.4模具设计参数274复合材料有限元分析及ANSYS应用304.1有限元分析步骤304.2 ANSYS在复合材料分析中的应用314.3复合材料分析示例335基于ANSYS复合材料制品成型分析385.1单元选择385.2 导入分析模型395.3 参数选择与约束处理405.4 铺层设计对制品强度的影响406基于ANSYS复合材料制品应用分析466.1复合材料

14、制品受载情况466.2有限元参数选择与约束处理476.3四种铺层方式分析结果比较497总结与展望557.1总结557.2展望55参考文献58作者简历60学位论文原创性声明61学位论文数据集62ContantsAbstractContentsList of FiguresList of TablesList of Variables1 Introduction11.1 Background and Significance11.2 Research Status at Home and Abroad31.3 Research Methods41.4 Research Contents41.5 P

15、aper Frame52 Composite material and mechanical structure analysis62.1 Classification of Composite Material62.2 Composited Material Characteristics72.3 Composite Laminate Ply Design92.4 The Classical Theory of Laminated Plate102.5 The Strength Criterion of Composite152.6 Analysis of Products Load173

16、Mould Design of Carbon Fibre Composite Products203.1 Forming Technic Characteristics203.2 Mould design213.3 Mould Assembly and Technic263.4 Parameters Design274 FEA of Composites and the Application of ANSYS304.1 The Steps of FEA304.2 Application of ANSYS in Composite Analysis314.3 The Sample of Com

17、posite Analysis 335 FEA on Mould Forming of Composite Products Using ANSYS385.1 Choice of Element Types385.2 Model Importing395.3 Choice of Parameters and Constraint Dispose405.4 The Effects of Layer Design on Product Strength406 FEA of Composite Products under Sport Loads Using ANSYS466.1The Loads

18、at Composite Products466.2 Parameters Choice and Constr- aint Handling in Finite Element476.3 Response Comparison of Four Ply-up Laminates497 Conclusions and Prospections557.1 Conclusion557.2 Prospections55References58Authors Resume60Declaration of Thesis Originality61Thesis Date Collection62图清单图序号图

19、名称页码图2-1常用复合材料按基体类型分类7Figure2-1Classification of common composites by matrix types7图2-2复合材按增料强体形式分类7Figure2-2The classification of composites by reinforceed bodies7图2-3复合材料结构设计过程9Figure2-3Design process of composite structures 9图2-4几种常见的复合材料层合板铺层方式9Figure2-4 Several ply-up schemes of composite lamin

20、ates9图2-5层板几何图形10Figure2-5Geometry of a laminate10图2-6坐标系11Figure2-6Coordinate system11图2-7两种坐标之间的关系12Figure2-7The relation between two kinds of coordinates12图2-8各层界面坐标zi14Figure2-8zi coordinate at interfaces14图2-9复合材料几项基本强度15Figure2-9Several basic strengths of the composites15图2-10复合材料各应力分量16Figure

21、2-10Stress components16图2-11模具装配结构图17Figure2-11The mould assembly structure17图2-12坯料在模腔内的内载情况18Figure2-12Pressure at parts in the cavity18图3-1碳纤维复合材料制品几何结构19Figure3-1The shape of product 19图3-2组合块式凸模22Figure3-2Assemble block punch22图3-3整体式凹模22Figure3-3Entirety die22图3-4模具脱模顶出机构22Figure3-4Demoulding

22、mechanism22图3-5顶出机构三维效果图22Figure3-53D graph of demoulding mechanism22图3-6型芯嵌板23Figure3-6Core panel23图3-7型芯24Figure3-7Punch24图3-8顶板24Figure3-8 Butt plate 24图3-9脱模机构24Figure3-9Demoulding mechanism24图3-10整体双腔凹模 24Figure3-10 Dual-chamber mould 24图3-11压制曲面效果24Figure3-11Curved surface effect24图3-12组合块型芯25

23、Figure3-12Assemble block punch25图4-1有限元分析流程图31Figure4-1The finite element analysis flow-process diagram31图4-2Shell91单元结构形式32Figure4-2Shell91 element structure32图4-3正交层合板结构33Figure4-3Orthotropic laminates structure33图4-4有限元模型35Figure4-4The finite element model35图4-5材料铺层方式35Figure4-5The layer structur

24、e35图4-6层合板沿X坐标方向的应力情况36Figure4-6Laminated plates along the X-direction stress36图5-1SOLID46 层单元结构38Figure5-1SOLID46 layer element structure38图5-2有限元网格38Figure5-2Finite element grids38图5-3实体结构38Figure5-3Solid structure38图5-4（0/90/0）铺层 39Figure5-4(0/90/0) ply-up39图5-5模型单元网格39Figure5-5Element grids39图5-

25、6（0/90/0）Mises应力40Figure5-6Figure5-6 Mises stress in（0/90/040图5-7剪应力xy40Figure5-7Shear stress xy40图5-8剪应力yz40Figure5-8Shear stress yz40图5-9剪应力xz40Figure5-9Shear stress xz40图5-10(0/45/-45/0)Mises应力41Figure5-10Mises stress in (0/45/-45/0)41图5-11剪应力xy41Figure5-11Shear stress xy41图5-12剪应力yz41Figure5-12S

26、hear stress yz41图5-13剪应力xz41Figure5-13Shear stress xz41图5-14（0/0/0）Mises应力42Figure5-14Mises stress （0，0，0）42图5-15剪应力xy42Figure5-15Shear stress xy42图5-16剪应力yz42Figure5-16Shear stress yz42图5-17剪应力xz42Figure5-17Shear stress xz42图5-18（30/-30/30/-30）Mises应力42Figure5-18 Mises stress in （30/-30/30/-30）42图5

27、-19剪应力xy42Figure5-19Shear stress xy42图5-20剪应力yz43Figure5-20Shear stress yz 43图5-21剪应力xz43Figure5-21Shear stress xz43图5-22最大应力位置43Figure5-22The maximum stress region43图6-1跟部受载45Figure6-1Load at heel45图6-2侧部受载45Figure6-2Load at side45图6-3四种铺层方式46Figure6-3 Four ply-up laminates46图6-4复合材料制品有限元模型47Figure

28、6-4Finite element model 47图6-5复合材料制品实体模型47Figure6-5Solid model47图6-6结构参数设置48Figure6-6Structural parameters choice48图6-7第一种受载情况49Figure6-7The 1st loading49图6-8第二种受载情况分析49Figure6-8The 2nd loading49图6-9约束49Figure6-9Constraints49图6-10（0/0/0）整体变形50Figure6-10Structural Deformation in (0/0/0)case50图6-11（0/

29、0/0）位移50Figure6-11 Displacements in (0/0/0) case50图6-12（0/0/0）Mises应力50Figure6-12Mises stress in (0/0/0) case 50图6-13第1层Mises应力50Figure6-13Mises stress in 1st layer50图6-14第2层Mises应力50Figure6-14Mises stress in 2nd layer50图6-15第3层Mises应力50Figure5-15Mises stress in 3rd layer51图6-16（0/90/0）位移51Figure6-1

30、6Displacement in (0/90/0) case51图6-17Mises应力51Figure6-17 Mises stress51图6-18（0/45/-45/0）位移51Figure5-18Displacement in (0/45/-45/0) case51图6-19Mises应力51Figure5-19Mises stress51图6-20（30/-30/30/-30）位移52Figure5-20Displacement in（30/-30/30/-30）case52图6-21Mises应力52Figure6-21Mises stress52图6-22（0/0/0）位移53F

31、igure6-22Displacement in（0/0/0）case53图6-23Mises应力53Figure6-23Mises stress53图6-24（0/90/0）位移53Figure6-24Displacement in（0/90/0）case53图6-25Mises应力53Figure6-25 Mises stress53图6-26（0/45/-45/0）位移 53Figure6-26Displacement in（0/45/-45/0）case53图6-27Mises应力53Figure6-27 Mises stress53图6-28（30/-30/30/-30）位移54Fi

32、gure6-28Displacement in（30/-30/30/-30）case54图6-29Mises应力54Figure6-29Mises stress54表清单表序号表名称页码表1-1表1-1金属与碳纤维材料的比强度、比模量对比2Table 1-1Comparison of specific strength and modulus between metal and fabric materials2表2-1几种复合材料和金属材料的力学性能比较8Table 2-1Comparison of mechanical properties of composite materials a

33、nd metal maerials8表3-1T300/5208材料的性能指标35Table 3-1The performance index of T300/520835表3-2解析解与ANSYS解相比较38Table3-2Analystical solution and ANSYS solution38表5-1四种铺层的最大应力比较46Table5-1Comparison of maximum stresses in 4 ply-ups46表6-1跟部受载时最大位移和应力54Table6-1Maximum displacements and stresses under the load a

34、t heel54表6-2侧边受载时最大位移和应力56Table6-2Table6-1 Maximum displacements and stresses under the load at side56变量注释表、正应力、剪应力、正应变、剪应变、G弹性模量、剪切模量泊松比Q刚度矩阵C弹性矩阵材料主轴方向沿x轴的位移沿y轴的位移沿z轴的位移(挠度)层板厚度层板跨度中面上沿x轴的位移中面上沿y轴的位移w0中面上沿z轴的位移(挠度)k弯曲挠曲率单位宽度合内力单位宽度合内力矩拉伸刚度弯曲刚度耦合刚度地i个界面的z坐标纵向拉伸强度纵向压缩强度横向压缩强度横向拉伸强度纵向最大拉伸应变纵向最大压缩应变横向

35、最大拉伸应变横向最大压缩应力平面最大剪切应变单元内任一点的位移列阵单元形函数矩阵单元节点位移列阵单元应变列阵单元应力列阵应变矩阵应力矩阵单元节点载荷列阵K单元刚度矩阵1 绪论 1 Introduction1.1 课题背景及意义（Background and Significance）该论文课题来源于连云港金麦特精密机械有限公司和日本知名运动装备器械生产公司禧玛诺（Shimano）的合作项目。金麦特精密机械有限公司主要从事注塑模具、复合材料模具的研发与制造。金麦特公司受禧玛诺公司委托，为其开发一款运动鞋上的碳纤维加固件的模具。鉴于该产品及其模具的设计、材料性能和加工性能的特殊性，在成型技术和模具

36、结构设计上面临一些技术难题。为此，金麦特公司申请了连云港市科技创新项目“高精度薄壁碳纤维复合材料成型技术”，联合高校一起开展技术攻关。作为应用型硕士研究生，这是一个提供实践环境和锻炼应用能力的技术开发类课题，同时也体现了一定的学术性。在校内导师和企业副导师指导下，作者作为课题组成员参加了产品和模具的设计与生产，产品研制获得了成功，项目以优异的成绩通过了连云港市科委的鉴定，并已投入禧玛诺公司的实际生产中。在本论文中所采用的制品材料为碳纤维复合材料。复合材料从概念上来讲是指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料1。复合材料的性能优于组分材料的性能，它改善了组分材料的刚度、强度、

37、动力等性能2。众多复合材料中，碳纤维复合材料是性能较为优越的复合材料代表，其高弹性模量、高强度的力学性能，使其在众多领域得到了广泛应用。体育用品一般要求质量轻、强度大、阻尼性能好，而碳纤维复合材料具备了所需要的物理性能，日益成为高档运动器械的优选材料。碳纤维复合材料研究起步于上个世纪四五十年代，主要应用于航空航天等尖端技术领域和军工产品。而随着生产工艺的成熟和成本控制，碳纤维复合材料已经逐渐从高端应用进入了普通大众的生活用品。而体育器械也成为了碳纤维材料主要使用领域之一 3，主要缘于三点：1、 碳纤维复合材料具有优越的力学性能，以及其他材料达不到的物化特性。比如耐高温和耐腐蚀等。2、 复合材料

38、最明显的特征就是可设计性，使用者根据需要对材料的种类，以及材料中增强纤维的含量等方式进行对材料结构设计。此外，在对材料进行设计时，可任意改变材料的铺层角度和顺序，来满足材料在使中的强度要求,这在一般的金属材料的结构设计中是较难实现的4。 3、对多种单一材料进行有机组合构成的复合材料，为解决单一材料性能缺陷提供了一种方法，使材料既保留了原有材料的优良属性，又克服其作为单一材料的不足。复合材料给设计人员提供了一种比强度、比模量高的材料,为结构轻型化、小型化提供了可能。 表1-1给出了几种金属材料与高强度碳纤维材料复合材料的比强度和比模量的对比，显示了碳纤维材料的比较优势。 表1-1金属与碳纤维材料

39、的比强度、比模量对比 Comparison of mechanical properties of composite materials and metal maerials材料比强度（）比模量（）钛0.130.27钢0.130.27铝0.170.26高强度碳纤维/环氧1.030.97 为了充分利用碳纤维复合材料的优良性能，需要解决好两个方面的技术问题：复合材料制品的设计和制造 （1）复合材料产品设计。纤维复合材料在工程应用中一般以层合结构的形式出现,当复合材料制品作为主要承力部分时,对结构的强度、刚度等承载能力进行分析及预测显得重要且必要，这也是安全可靠、经济地使用复合材料的基础。单纯采用

40、试验方法必然需要较高的时间成本和费用成本。所以，在进行复合材料制品设计时，引入数值分析的方法对于提升制品的设计和制造均有较大的实用意义。由于复合材料层合结构具有可设计性，数值分析有助于实现结构的优化设计，最大限度地发挥材料的增强性能。当然，也是由于结构的复杂性，给设计计算带来了障碍，传统上针对各向同性材料的设计计算方法不再适用，需要建立针对性的数值方法。商业有限元软件的日益成熟为设计新型材料结构提供了可能的分析工具，为产品的设计与开发提供了经济便捷的途径。 （2）复合材料产品制造。鉴于这类非金属材料的机械加工性能的特点，适合采用加温压力固化的工艺，目前以模压成型加工为主要成型方法。但国产复合材

41、料成型模具技术一直不高，对于结构复杂、材料特殊制品的模具，更多是由国外进口，导致生产成本过高，而且对于模具的维护和修改都比较困难。所以提高碳纤维制品的模具技术势在必行，以使模具材料的选择、精度、服役寿命等方面达到理想的效果5。此外，采用何种模具结构、工艺方案对复合材料制品成型质量会产生直接或间接的影响。所以在设计模具时，尽量使结构形式简洁、操作方便，更重要的是，必须保证制品的成型效果。采用模压成型时，不但要考虑成型外观，还要保证复合材料制品的内在质量。根据碳纤维复合材料本身结构的独特性，该材料在模压成型过程中可能产生纤维的断裂、层间的开裂等典型破坏形式；参数选择方面，有模腔内的压力、模具表面与

42、坏料之间的穿透容差、锁模力等各种设计参数选择是否恰当等。这些可能出现的问题，都需要进行反复的试验和探索，但试验不但成本较高，而且试验周期较长，不利于产品的开发。利用一些CAE软件（如ANSYS）等工程分析仿真软件，可以有效地解决这些问题，大大缩短产品的研发设计周期，提升经济效益。1.2 国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad） 模压成型是对热固性和热塑性材料适用的成型方法。其工艺过程为：首先将碳纤维复合材料毛坯料进行预热软化，然后将毛坯手工放入模腔内合模。将模具加热固化成型，冷却开模，脱模后得到碳纤维复合材料制品。模压成型工艺的成型效果较好，精度控

43、制较理想。但是这种成型方法也有一定的局限性，模具设计制造复杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批量大的中、小型制品5。本项目产品属于尺寸小、批量大的制品，故选择模压成型工艺。但由于我国高性能碳纤维的生产受技术制约（最近江苏中复神鹰碳纤维有限公司攻克了大规模生产高性能碳纤维的技术，国产化程度正在加速），生产规模较小，复合材料制品模具技术目前有待完善和进一步发展。作者对于复合材料成型模具设计方面做了一些研究和探讨。 本项目中，碳纤维复合材料用于运动鞋跟部的加强片，增加其运动时的强度、抗变形能力，以及运动舒适度。这种碳纤维加强片由多层预浸片铺设经加热固化成型，在力学模型上，属于复合材料层合板壳结构。在实际运