碳纤维复合材料制品结构设计原则有哪些?

  碳纤维复合材料产品的成型工艺有多种,最常见的有缠绕成型和对模模压成型。纤维缠绕成型工艺适宜制作轴类结构产品,对模模压成型工艺适宜制作有理想分型面的产品。在产品设计阶段充分考虑构件的工艺性不仅能降低工艺难度、提高产品质量,在一定程度上也能降低成本。碳纤维复合材料产品结构设计主要有以下几点原则:

  (1)等壁厚原则

  不管是纤维缠绕成型工艺还是对模模压成型工艺,都是先将纤维单向板缠绕在特定的成型模具上,经过高温定型处理制作而成。理论和实践证明,在缠绕过程中纤维丝的连续性是非常重要的,它将直接影响高温定型后产品的力学性能。为保证纤维丝的连续性,在结构件设计过程中,相邻侧壁需遵循等壁厚原则。每个独立的铺层中纤维丝不发生断裂,使纤维丝的受力能均布于整个结构件中,防止局部应力破坏,提高整体力学性能。

  (2)等强度原则

  碳纤维复合材料属于各向异性材料,即使对其铺层按准正交各向同性进行设计,产品在沿纤维铺层方向的力学性能也明显优于垂直于铺层方向。为此,结构设计不能完全使用传统金属构件设计方法,要通过结构设计加强垂直于铺层方向强度,保证整体结构的等强度。最常用的方法是在构件受力方向上合理分布加强筋,增加产品在纤维方向受拉伸作用的有效面积。

  (3)易脱模原则

  碳纤维复合材料产品一般都是模具成型制作而成,这涉及到产品与模具之间的脱模问题。在结构设计阶段充分考虑到构件的脱模性能,能提高产品的成品率和产品的综合性能。实践证明,合适的拔模角、恰当的倒角以及平滑的侧壁过渡等金属铸件的设计方法可以提高碳纤维复合材料产品的拔模性能。

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