碳纤维复合材料避震塔强度性能多尺度优化设计
【摘要】综合考虑机织复合材料成型及力学性能特点，设计了一体式结构 机织碳纤维复合材料避震塔，并基于多尺度优化方法，综合考虑材料和结构参数，实现避震塔强度性能优化设计。为获取准确的仿真分析用材料参数，基于显微镜观测得到的机织参数建立多尺度预测模型。通过避震塔强度性能仿真分析与试验结果的对比，验证了考虑工艺过程影响的材料参数预测结果及结构性能仿真分析方法的正确性，与原高强钢避震塔相比，优化得到的 机织碳纤维复合材料避震塔实现了 的轻量化效果。
结构，并基于多尺度优化方法，在满足避震塔强度性能的基础上实现其轻量化设计。为考虑成型工艺对复合
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材料的影响，通过显微镜观测得 机织碳纤维复合材料介观机织参数，并基于计算细观力学理论，建立考虑工艺过程影响的宏观各向异性多尺度预测模型及其本构模型。考虑到避震塔的载荷特性及复合材料成型的
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特点，设计一体式结构 机织碳纤维复合材料避震塔，并进行强度性能试验和仿真分析对标。在此基础上，基于多尺度建模和优化设计理论，综合考虑介观机织参数及避震塔宏观结构参数，对避震塔强度性能进行多尺度优化设计。
2 力学性能试验及机织参数观测2.1样件制作及力学性能试验
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本文所采用的 机织碳纤维复合材料首先由纱线
Resin Transfer
编织为预制件，之后通过树脂传递模（
Molding，RTM）
工艺与树脂复合加工成复合材料样板。
T700-6k，
编织预制件采用的纱线为东丽 机织结构为三
1 1
维正交，理想单胞如图 所示，具体机织参数如表 所示。复合材料成型所用树脂为环氧树脂。最终加工得
7.7 mm， 39%
到的样板厚度为 碳纤维体积分数为 。
机织碳纤维复合材料机织参数
55°沿厚度方向发生了偏转，角度为 。
表机织碳纤维复合材料面内力学性能试验结果
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为预测 机织碳纤维复合材料宏观强度性能，介观尺度仿真分析中需要建立合适的纤维束强度准则。参考目前针对单向碳纤维复合材料的研究结果[9]，基于
Pinho
准则描述纤维束复杂应力状态下的强度性能，并
ABAQUS UMAT
采用 的 子程序将上述准则数值化。将
5
表 中的细观预测结果带入到介观尺度模型，预测得到
3D 6
的 机织碳纤维复合材料宏观力学性能结果如表 所示。与试验结果相比，建立的考虑工艺过程影响的多尺
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度预测方法可以很好地预测 机织碳纤维复合材料轴向拉伸及压缩载荷下的宏观力学性能。
表机织碳纤维复合材料宏观力学性能预测结果
0
0
2G1WF
式中， ε1、ε2分别为经向和纬向的线应变； ε12为剪应变； EW、EF分别为表6
中所示经向和纬向的弹性模量； GWF为
6
表 中所示面内剪切模量； σ1、σ2分别为经向和纬向的正应力； σ12为剪应力。
σi≥ 0
考虑到材料力学性能的拉压非对称性，当 时， EW、EF分别取表6 σi< 0
中所示的拉伸弹性模量，当 时， EW、EF分别取表6
中所示的压缩弹性模量。对于其强度性能，采用最大应力准则进行建模。所
ABAQUS UMAT
建立的本构模型基于 的 子程序数值化。
4 避震塔结构设计及强度性能对标4.1避震塔结构设计
σ1 σ2 σ12 3D
考虑到 机织碳纤维复合材料的加工及避震塔
5a
所承受的载荷特性，设计了如图 所示的一体式结构避震塔，避震塔的高度方向为机织过程中的经向，环向为机织过程中的纬向。沿避震塔高度方向，该结构分
3 5b
为上部、中部、下部 个区域，如图 所示。在初始设
3
计中，个区域采用相同的经密和纬密，但机织层数不
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同，如表 所示。基于上述机织参数，首先将碳纤维纱
RTM
线编织为预制件，之后通过 工艺与环氧树脂结合，形成一体式结构碳纤维复合材料避震塔本体。在避震塔的加工过程中，所采用的工艺参数与样件加工所用参数完全相同。40.3 kN
试验过程中，当载荷加载至 时，避震塔发生7
破坏，其失效形式如图 所示，避震塔首先沿顶部圆孔的纬向发生破坏，之后沿经向进行扩展。
4.3避震塔强度性能仿真分析及对标
建立的避震塔强度性能有限元分析模型采用共节
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点处理不同厚度的连接关系。考虑到 机织碳纤维复合材料的各向异性，在避震塔有限元模型中建立局部坐
40.3 kN CAE
标系描述材料方向。在 加载下，避震塔 分
8 8
析得到的应力云图如图 所示。由图 可知，避震塔顶部圆孔周围的纬向拉应力达到拉伸强度极限，继续加载，将会发生沿经向的裂纹。由避震塔强度性能对标结果可知，所建立的材料参
CAE
数预测流程、本构模型及 分析方法可以很好地描
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述 机织碳纤维复合材料的强度力学性能。
5避震塔多尺度优化设计
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考虑到 机织复合材料机织参数的可设计性，针对避震塔强度性能，分别选择避震塔上部、中部和下部
3
个区域的经纱间距、纬纱间距和层数等介观机织参数，以及顶部配合面圆孔直径等宏观结构参数作为设计
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变量，进行多尺度优化设计，具体变量及其范围如表
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所示。多尺度优化设计流程如图 所示。
表 多尺度优化设计变量及其范围