论文题目：纤维增强复合材料板簧结构的轻量化设计及力学性能分析
摘要：近几十年来,土木工程建设的发展取得了瞩目的成就。这其中对一些新型材料的应用,也大大提升了施工的效率以及质量,特别是复合材料的应用,有效弥补了传统施工材料存在的问题。然而,随着复合材料的广泛使用,问题也逐渐凸显,如许多复合材料的成本较高,且制造过程中产生的废弃边角料对环境也可能造成较大污染,后期复合材料的回收问题也尚未解决。因此,选取绿色可持续性、具有成本优势的复合材料应用到实际工程中,将可减轻环境的负担,对促进我国绿色建筑的发展具有重要意义。本文主要以天然亚麻纤维增强的复合材料为对象,考察其被用于制作承力的悬臂构件的可行性。文中以具有普遍应用价值的典型悬臂梁结构（板簧）为研究对象,首先选择了不同纤维增强复合材料来设计和替代传统的金属板簧结构,包括碳纤维、E玻璃纤维（E玻纤）、凯夫拉纤维以及与E玻纤力学性能接近的环保型亚麻纤维。在证实了亚麻纤维增强复合材料用于该悬臂承力构件的可行性之后,进一步对亚麻纤维复合材料板簧结构开展了结构优化,并对其相关力学性能和结构安全性进行了分析,提出了一套基于环保型亚麻纤维复合材料的悬臂承力构件（板簧）的轻量化设计思路。首先,本文采用几种常见合成纤维复合材料替代轻荷载受力条件下的单片式金属板簧,初步证明了采用纤维增强复合材料替代金属板簧的可行性。在此基础上,进一步对比了E玻纤复合材料和亚麻纤维复合材料（二者力学性能接近）板簧的力学性能,通过分析比较其减重率、安全系数、力学性能等指标,证明了亚麻纤维复合材料板簧在减重及环保方面比当前常见的E玻纤复合材料板簧更具优势。之后,针对重型荷载环境下的板簧结构进一步展开了研究,分别设计了单片式和三片叠合式两种亚麻纤维增强复合材料板簧结构并进行了结构优化。结果表明,在满负载条件下,单片变厚度亚麻纤维复合材料板簧依然可以满足整车的性能要求,但三片式亚麻纤维板簧存在某些簧片的等效应力已接近亚麻纤维复合材料应力极限的情况。针对这一问题,本文提出了一种组合式板簧的方案,将承受较大应力的亚麻纤维簧片采用玻璃纤维复合材料替换,可有效解决问题。综上,本文的研究结果表明采用环保型亚麻纤维复合材料替代目前常用的E玻纤复合材料以制作承力构件具有可行性。在满足承力构件的目标性能前提下,采用亚麻纤维增强复合材料设计的构件更轻,更有环保优势,经济效益也更高。本文工作和所得结论可为实际工程,如土木工程领域中的悬臂承力结构的设计和力学性能分析提供有价值的参考,同时对环保型亚麻纤维的研究也可为土木工程中绿色环保建筑材料的开发和应用提供新思路。
关键词：复合材料板簧;亚麻纤维;轻量化设计;结构优化;静载分析;振动特性
学科专业：建筑与土木工程（专业学位）
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 板簧的发展历史与研究现状
1.2.1 板簧的发展综述
1.2.2 设计方法及国内外研究现状
1.3 纤维增强复合材料及复合材料板簧的研究现状
1.3.1 复合材料的定义及类型
1.3.2 复合材料在汽车领域的应用及发展
1.3.3 复合材料在土木工程领域的应用及发展
1.3.4 亚麻纤维增强复合材料的国内外研究现状
1.3.5 纤维复合材料板簧的研究现状
1.4 研究的内容及方法
第2章 复合材料层合板基础理论分析
2.1 复合材料层合板的特点
2.2 复合材料层合板的应力——应变关系
2.2.1 复合材料层合板的应变
2.2.2 复合材料层合板的内力
2.2.3 复合材料层合板的应力-应变关系式
2.3 正交各向异性层合板的强度理论
2.4 本章小结
第3章 不同复合材料板簧的力学性能分析与比较
3.1 常用复合材料的力学特性
3.2 复合材料板簧的有限元模型与力学分析
3.3 本章小结
第4章 轻型负载下亚麻纤维复合材料板簧轻量化设计
4.1 亚麻纤维复合材料板簧的力学性能
4.2 亚麻纤维板簧的结构设计
4.2.1 簧身结构设计
4.2.2 板簧接头类型的确定
4.3 复合材料板簧三维模型的建立
4.4 复合材料板簧的仿真力学分析
4.4.1 有限元法理论
4.4.2 有限元分析过程及注意事项
4.5 亚麻纤维复合材料板簧有限元分析
4.5.1 亚麻复合材料板簧静刚度计算及模型验证
4.5.2 复合材料板簧有限元分析结果对比
4.6 本章小结
第5章 重型负载下亚麻纤维复合材料板簧结构优化设计
5.1 单片式抛物线复合材料板簧的初步设计
5.1.1 三片式金属板簧原型
5.1.2 复合材料板簧初步设计计算
5.2 亚麻纤维复合材料板簧的刚度及强度计算
5.2.1 复合材料板簧刚度理论模型
5.2.2 亚麻纤维复合材料板簧强度理论模型
5.3 基于遗传算法的复合材料板簧结构优化
5.3.1 复合材料板簧的优化问题描述
5.3.2 复合材料板簧优化算例
5.3.3 优化后复合材料板簧几何模型的建立
5.4 重型负载下单片式亚麻纤维复合材料板簧的静力学分析
5.4.1 复合材料板簧静刚度计算及模型验证
5.4.2 满载作用下复合材料板簧应力应变分析结果
5.5 本章小结
第6章 重型负载下三片式亚麻纤维复合材料板簧的力学性能分析
6.1 多片式复合材料板簧三维建模
6.2 非线性分析流程
6.3 负载较重的多片式亚麻纤维复合材料板簧的静力学分析
6.3.1 满载工况应力应变分析
6.4 组合式复合材料板簧静力学分析
6.5 本章小结
第7章 结论与展望
7.1 研究工作结论
7.2 研究工作展望
参考文献
致谢