碳纤维复合材料圆梁弯曲振动有限元分析

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1、第2期纤维复合材料Nn2l72010年6月FIBERCoMPoSITESJan．，2010碳纤维复合材料圆梁弯曲振动有限元分析王洪运，马俊龙，费春东，马国峰(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨150036)摘要碳纤维复合材料圆粱作为片状物料传送的旋转部件使用时，对其承载强度、刚度以及振动性能的要求一直较为严格。本文在结合材料力学和经典层合理论的基础上，利用ANSYS有限元软件建立三维圆梁模型，对碳纤维复合材料圆梁在定载荷下的弯曲和振动进行模拟。结果表明：纤维小角度铺层能提高圆梁的抗弯刚度，在考虑自重的定载荷条件下，壁厚变化与重力方向最大变形之

2、间存在临界值；通过分析梁的振动模态，提取前6阶振动频率与振型，可知碳复合材料圆梁具有较强的抗振能力。关键词复合材料圆梁；复合材料振动；抗弯刚度；振动模态；ANSYSBendingandVibrationFEMAnalysisaboutCompositeCircularBeamWANGHongyun，MAJunlong，FEIChundong，MAGuofeng(HarbinFRPInstitute，Harbin150036)ABSTRACTCarboncircularbeamhasahighrequirementonstrength．

3、stiffnessandvibrationwhenitisusedasaiota-tingpartsinfilmtransmission．Onthebaseofmaterialmechanicsandclassicallaminatetheory，utilizingtheuniversalFEMsoftwareANSYS，weestablisha3Dmodalofcarboncompositecircularbeamtosimulatebeam’Sflexureandvibrationun-dertheconditionofconst

4、antload．Analysisresuhsshowssmallfiberlayeranglecanreinforcebeam’Sflexuralrigidity，acriticalvalueoccursbetweenwallthicknessandmaxdeformationofgravitydirection．Meanwhile，Adoptinganalyzebeam’Svibrationmodal，wegetsixforwardordernatural~equencyandforms，itcanbef0undthatcompos

5、itecircularbeamhashighervibrationresistance．KEYWORDSCompositecircularbeam；Compositevibration；FlexuralRigidity；VibrationModal；ANSYS1引言弯曲、振动两个方面进行分析。环形截面圆梁在作为片状物料传送辊轴使用2均布载荷下圆梁弯曲材料力学时，具有节省材料、环形截面各向承载均匀、表面光的计算方法滑便于装运、旋转振动小等诸多优点，其广泛应用在圆梁的受力形式如图1所示，截面为圆环形，两印刷、胶片制造、造纸等行业的机械设备

6、中。传统上端简支，所载物重作为面分布力直接作用在圆梁面的物料传送使用的是金属圆梁，随着新兴材料的不上，同时还有自身重力载荷以及数值较小的转矩。断发展，复合材料的应用领域在不断拓宽，采用高性能碳纤维复合材料代替原有的金属材料可以在很大程度上提高圆梁的性能，碳纤维复合材料密度仅相当于钢的1／4，具有高的比模量，挠曲变形小等优点，重要的是提高了圆梁的自然振动频率，加大了临界转动速度，从而提高传送效率。复合材料圆梁根图1圆梁受力简图据强度、刚度以及其它技术要求，需要合理设计其结构，但在复合材料的设计过程中，由于纤维本身的各2．1圆梁弯曲的材料

7、力学计算方法向异性，计算过程较为复杂，因此本文将以材料力学根据材料力学中对弯曲梁的假设，一个圆环形和粘弹性力学中经典层合理论作为理论基础，利用截面梁，取其中一段微元，在其两端对称面同时施加ANSYS软件优势进行复合材料圆梁的模拟，从静力转向相反、力偶矩相等的外力偶M，使梁处于纯弯曲纤维复合材料2010燕—生一堡0rQQ120]II一12P211—1)12l[】-IE中处，其值为：M=譬，最大应力大小为：=0JI：0l对称x,-t~Gl2，其中=是梁的抗弯截面系数，它偏轴刚度矩阵：[Q】=[】[Q】【】层合板单元内力与应变的正则化关系为

8、：=旧其中A为面内刚度矩阵，B为耦合刚度矩阵，D为弯曲刚度矩阵。3复合材料圆梁的弯曲挠曲线方程：，，=一(z一2l+)本文以T-／00／Epoxy复合材料圆梁为例，利用有限元软件ANSYS模拟圆梁的弯曲计算过程。最大转角