碳纖維橋梁的設(shè)計(jì)與模態(tài)仿真分析

任雪飛 邱致浩 徐光景

摘要：碳纖維夾芯結(jié)構(gòu)以及碳纖維增強(qiáng)塑料在減重方面有顯著作用。本文利用碳纖維增強(qiáng)塑料和碳纖維夾層板對(duì)某型橋梁進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并利用Workbench對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明：復(fù)合材料的振型較小，抗震性能較好。

關(guān)鍵詞：碳纖維;橋梁結(jié)構(gòu);模態(tài)分析;仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TN82 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

復(fù)合材料在航空航天、船舶、橋梁建造中有諸多應(yīng)用，諸如碳纖維板與Nomex蜂窩構(gòu)成的碳纖維夾層板、碳纖維增強(qiáng)塑料等材料具有遠(yuǎn)高于常規(guī)材料的比強(qiáng)度和比剛度。在橋梁制造方面，碳纖維材料常用于橋梁結(jié)構(gòu)損傷的加固修理，尚未有用碳纖維夾層結(jié)構(gòu)和碳纖維增強(qiáng)塑料制造的橋梁。本文根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的某種橋梁結(jié)構(gòu)建立三維幾何模型，用有限元軟件ANSYS分析了碳纖維橋梁的振動(dòng)特性。

1碳纖維橋梁設(shè)計(jì)

橋梁整體結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D1所示橋梁的結(jié)構(gòu)，骨架使用碳纖維增強(qiáng)塑料，路面使用碳纖維夾層板。目標(biāo)載重量550KN，橋梁整體尺寸長(zhǎng)30m，寬7.92m，高7.68m。

在Solidworks軟件中對(duì)橋梁骨架進(jìn)行建模，導(dǎo)入到ANSYS中，得到橋梁骨架的幾何模型，如圖2所示。

在ACP模塊中對(duì)其進(jìn)行鋪層設(shè)置，考慮到橋面主要受正應(yīng)力和剪切作用力，單層板鋪層為[0/45/0/-45/0]S，通過(guò)不斷調(diào)整鋪層的厚度，在保證用料最省的同時(shí)，讓橋梁整體應(yīng)力取得最小值。材料參數(shù)如表1所示。

2碳纖維橋梁模態(tài)分析

本文利用Workbench有限元軟件對(duì)碳纖維橋梁進(jìn)行模態(tài)分析，前四階固有頻率和振型如圖3所示。

在分析橋梁模態(tài)時(shí)，往往更關(guān)注橋梁的低階模態(tài)，從圖上可以看出，振動(dòng)模態(tài)變化不大，可見(jiàn)碳纖維橋梁抗震性能較為優(yōu)越。

3結(jié)論

與傳統(tǒng)橋梁相比，碳纖維橋梁具有自重小、比強(qiáng)度、比剛度大的優(yōu)點(diǎn)，且在抗震方面性能優(yōu)異。

基金項(xiàng)目：中國(guó)民航大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于碳纖維復(fù)合材料的橋梁設(shè)計(jì)與制作”（項(xiàng)目編號(hào)：201910059109）。

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