CFRP碳纤维复合材料的实验与仿真研究.pdf

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1、CFRP（碳纤维增强复合材料）的实验与仿真研究元春峰辛志峰,IDC,LenovoFusanobuNakamura,YMT,LenovoJosephHolung,Raleigh,Lenovo摘要:CFRP已成为航空航天乃至高端汽车的重要结构材料，但在电子领域的应用还不广泛。本文以在ThinkPad产品上的应用，通过对CFRP材料的基本属性的实验与模拟，构建了其本构模型，进而应用到整机产品；通过整机产品的实验仿真对比，积累了CFRP这一复合材料的应用经验，并指导产品设计优化与开发。关键词：Abaqus，仿真，模拟，CFRP，Th

2、inkPad，CAE前言CFRP（CarbonFiberReinforcedPlastic）由经过碳化的丙烯纤维与环氧树脂热固而成(如图1所示)，是一种典型的复合材料，具有轻密度、高比强度的特点。在航空、交通，体育用品领域得到了广泛应用，但在民用电子产品领域应用还比较少。对于这一新型的复合材料，通过一定的实验和模拟计算，来掌握其物理特性，并指导于产品设计是非常必要的。本文先阐述CFRP基材物性的实验与模拟对比研究，再实验模拟整个产品在耐压下的表现，最后给出优化指导。环氧树脂碳纤维图1.CFRP图示CFRP基材的实验与模拟CA

3、E分析中最重要的关键环节就是物性的准确输入，只有准确的输入，加上适当的求解算法与技巧，才能够输出可信且准确的分析结果，否则就是无本之木，结果也随之千差万别。对于CFRP这种复合材料，通过实验测试其物性并通过仿真分析还原该实验数据，是不可取舍的重要一环。考虑到该材料在笔记本产品上作为顶盖的材料，以增加顶盖的耐压性能，提高笔记本整体刚度；实验可从试样的弯曲实验出发，同时考虑到材料的各向异性，我们在加工好的笔记本顶盖上切取不同方向的一定尺寸的试样（如图2所示），进行弯曲试验（如图3所示）。图2.CFRP试样制备图3.弯曲试验测试以

4、此实验条件建立了分析模型，设定好边界条件，设定各向异性的本构来进行分析，通过试算后，选取了表1中的设定参数：E1E2E3V12V13V23G12G13G234200030000200000.350.350.35200002000020000表1.注:由于CFRP材料的复合特性，表1中参数不具有普遍性图4.仿真变形云图图5.实验与计算对比曲线图5中的对比曲线说明，采用表1中的参数在小变形（5mm以内）吻合程度较高，超过6mm的变形后误差要较大一些，考虑到在随后的Ф25mm最大10kg的整机受压中，由CFRP制成的笔记本顶盖不会

5、超过5mm的变形，因此，表1中所列出的参数是在小变形范围内是适用的，由其得出的结果也将是可信的。笔记本整机的实验与模拟整个模型中CFRP的材料参数是未知的，但我们已经通过上面的实验进行了确定；对于其他材料的参数可由材料厂商获得，对于模组部件，如LED显示屏，复杂的电路板等，均通过压弯实验校正模型及参数，这里不再赘述。压力实验在笔记本顶盖上选取五点（A、B、C、D、E）进行测试，该五点位置分布如图6所示，A点位笔记本顶盖的中心为位置，其它四点距A点的距离分别为50与100cm,压头直径为25mm,最大压力值为10公斤力，图6.

6、压力测试示意图图7.A点压力实验与仿真对比图8.B点压力实验与仿真对比图9.C点压力实验与仿真对比图10.D点压力实验与仿真对比图11.E点压力实验与仿真对比图7至图11为五点（A、B、C、D、E）的压力实验与仿真分析曲线对比，可以发现，除B、E点最大误差为18%外，A、B、C点的仿真分析值与实验对比非常吻合。从图6中的压力点分布看出，B、E点较A、B、C点更远离中心区域，对于靠近边缘的点来说，存在着实验误差与分析模型简化所引起误差的积累。同时，即使存在着18%的误差，对于仿真分析这一领域来说，还是可接受的。仿真分析与优化通

7、过整机的压力分析，进一步验证了CFRP材料物性参数的准确性，同时也证明了Abaqus/Standard算法在复杂的整机系统、多部件压力传递接触模拟的适用性与准确性。基于这些可靠可信的结果，便可以开展笔记本整体刚度的分析与优化。从优化角度来讲，存在很多的变量参数去考量，如可以从厚度、层数、碳纤维密度等方面进行优化，本文仅从CFPP的横竖排布方向（如图12所示）做一下优化验证。图12.横排与竖排的CFRP排布示意图由于这种复合材料的各项异向性，同时笔记本顶盖是非完全对称的，所以在水平铺排与垂直铺排方向会有一定的差异，前面提到的基

8、材的实验也证明了其不同，通过调换本构模型参数的E1与E2值，可以快速计算出在压力下笔记本顶盖的变形量。在这一层面上，仿真分析较传统的打样测试节省了大量的时间与成本，充分展现了仿真分析的价值与意义。图13为两种不同排布方式下，顶盖的抗压表现，通过分析计算发现，横排的方式较竖排的方式的抗压性能