竞赛用碳纤维工字桥梁结构优化设计与试验分析

复合材料由于具有比强度高、比刚度高、可设计性强等优点,因此,在给定工况下,进行结构优化设计来充分发挥其力学性能是十分必要的。以SAMPE碳纤维工字梁为优化对象,依据竞赛图纸要求,综合运用Hyperworks和OptiStruct分析软件对工字梁的铺层、自由尺寸、铺层方向等进行了优化设计,同时,充分考虑碳纤维工字梁制造工艺性要求,确定了碳纤维工字梁优化结构,最终通过试验验证得到该设计的碳纤维工字梁是该赛事以来满足承载以及变形条件中最轻的桥梁。

复合材料工字梁抗弯曲性能分析

为了提高碳纤维复合材料工字梁的抗弯曲性能,本文针对碳纤维工字梁抗弯曲性能优化设计进行了工字梁的不同结构设计对抗弯曲性能影响的研究。采用控制变量和对比的实验方法,设计了五个不同结构的碳纤维工字梁实验样件并进行三点弯曲测试,得到了碳纤维工字梁的弯曲强度以及弯曲位移等实验数据;其次,采用ABAQUS有限元软件建立碳纤维工字梁三点弯曲模型,并对模型的有效性进行验证。然后采用该模型分析了三点弯曲过程中工字梁的受力情况,得到以下结论:碳纤维工字梁在三点弯曲时(1)上翼缘应力略大于下翼缘,适当增加上翼缘的厚度,能够提升工字梁的抗弯曲性能,增加下翼缘的厚度,对工字梁的抗弯曲性能影响微弱;(2)腹板上下两端处的应力值始终大于腹板中间位置的应力值,适当增加腹板的高度,能够提升工字梁的抗弯曲性能,增加腹板的厚度,对工字梁的抗弯曲性能影响微弱。以上研究对碳纤维工字梁结构优化设计具有一定的指导意义。