-
硕士学位论文
碳纤维复合材料制品模压成型
及其有限元分析
Mould
Forming of Carbon Fibre-Reinforced Composite
Products and Finite
Element Analysis
作
者：王贵彬
导
师：舒小平
教授
中国矿业大学
2013
年
4
月
学位论文使用授权声明
本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写
的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理：
作为申请
学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论
文的部分使用权，即
：①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子
版，可以使用影印、缩印或扫
描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研
目的，学校档案馆和图书馆可以将公
开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场
所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另
外，根据有关法规，同意中国国家图书
馆保存研究生学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）。
作者签名：
导师签名：
年
月
日
年
月
日
中图分类号
TH12
学校代码
10290
UDC
621
密
级
公
开
中国矿业大学
硕士学位论文
碳纤维复合材料制品模压成型及其有限元分析
Mould Forming of Carbon Fibre-
Reinforced Composite Products and Finite
Element Analysis
作
者
王贵彬
导
师
舒小
平
申
请
学<
/p>
位
工
程
硕
士
专
业
学
位
培
养
单
位
机
电
学
院
学科专业
机械工程
研究方向
复合材料产品设计与制造
答
辩
委
员
会
主
席
肖
兴
明
评
阅
人
二○一三年四月
论文审阅认定书
研究生
王贵彬
在规定的学习年限内，按照研
究生培养方案的要求，完成了研
究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论
文
,
经审阅，论文中的观
点、数据、表
述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本
论文作为学位申请论
文送专家评审。
导师签字：
年
月
日
致
谢
本文是在我的导师舒小平教授的悉心指导下完成的。在师从舒小平教授的三年
中，他严谨的治学态度，忘我的工作精神深深地影响着我。而且在生活上对我也是
无微不至的关心和足够的耐心。在学术上，舒老师的教学治学态度使我由衷的敬
佩，在
给我们上课期间，他总把每节课的教案准备的很充分，把一些很难理解的理
论，由浅入深
地让每个学生都能接受。舒老师除去教学和行政工作以外，大部分时
间都用于学术研究和
指导学生。在这三年里，舒老师教给我的做人做事方法，使我
受益匪浅，也将影响我的将
来。
从论文选题到论文撰写中的每一环节都得到舒老师的精心
指导和热情关怀，舒
老师学术上严谨务实的工作作风，科学熟练的治学方法，渊博厚实的
学科知识，使
我无比的崇敬。在此，谨向我的导师舒小平教授表示衷心的感谢。
同时，非常感谢我的另一位企业导师江飞舟副教授在研究方向和专业技
术上给
予的悉心指导，为我提供了优越的专业实践条件，让我融入了工程经验丰富的技术
团队，获得了宝贵的产品研发的锻炼机会。
< br>在我研究和论文撰写期间，机电学院各位老师也给予我很大帮助和指点，感谢
乔斌
教授，葛藤博士，韩加好博士，刘竹帆、乔凯、董炎峰等同学，以及负责我们
在校期间生
活和学习的各位领导和老师们。
最后，衷心感谢我的家人在我
读研期间给予各方面的支持和鼓励。
摘
要
本文针对某运动器材的碳纤维复合材料加固件，进行产品设计
和成型模具开
发。鉴于纤维复合材料属于热固性材料，本项目采用模压成型工艺。将碳纤
维复合
材料毛坯料进行预热软化，然后将毛坯置入模腔内合模。将模具加热使制品固化成
型，然后冷却开模、脱模，最终得到碳纤维复合材料制品。在设计模具时，利用逆
向设计方法进行模具设计，模具型芯采用组合块式，便于开模。参数选择方面，计
算了模腔内的压力、锁模力等关键参数，使模具材料的选择、精度、服役寿命等
方面达到理想的效果。碳纤维层合复合材料层板是由单层纤维布压制而成，各层铺
设角
度和铺设顺序会影响制品的承载能力。基于层合板壳的经典理论，选择薄板有
限单元，借
助于
ANSYS
软件，对制品使用中的峰值载荷进行多参数分析
，选择更有
利于制品结构特征的铺层方式。对制品模压成型过程也进行了有限元分析，确
保碳
纤维复合材料制品在模腔内均匀受载，通过选择铺层方式降低应力峰值，防止制品<
/p>
出现损伤。通过这些计算和分析，为复合材料产品设计和模具设计提供设计依
据。
该论文有图
81
< br>个，表
7
个，参考文献
55
篇。
关键词
：碳纤维复合材料；层板；模压成型；模具；有限元；强
度
Abstract
Design
of
carbon
composite
reinforced
parts
in
some
sport
equipment
and
their
mould
development
are
made.
Since
composites
are
thermoset,
the
technology
of
mould
forming
is
adopted.
A
carbon
composite
blank
is
heat
and
soften
in
advance,
then
is
put
in
mould
cavity
and
the
mould
is
clamped.
The
mould
is
heat
and
the
blank
is
solidfied and formed. When the mould is
cooled and unfolded
，
the
whole
process
of
the
carbon
composite
product
is
finished.
Reversal
design
technique is used to design mould. The
combined mould cores are chosen
to
make
mould
unfolded
easily.
Some
key
parameters,
such
as
the
pressure
in
mould
cavity
and
mould
clamping
force,
are
calculated.
Desired effects in the material choice,
precision and service life of
moulds
are reached. A carbon composite laminate is made
of many layers.
The angles and order of
layers affect carrying capacity of structures.
Based on the classical theory of
laminated plates and shells, using a
finite
element
of
thin
shells
in
ANSYS
software,
the
stuctrue
is
analysed
with
many
parameters
under
peak
loads.
The
optimized
ply-up
scheme suitable to
stuctural features is determined. Mould forming of
prodcuts
is
also
simulated
by
finite
element
method.
The
carbon
composite
product
in
mould
cavity
is
subjected
to
uniform
loads.
The
peak
value
of
stress
is
reduced
to
prevent
damage.
Design
references
for design of composite products and
their moulds are obtained through
numerical calculation and analysis.
There
are
81
figures,
7
tables
and
55
references
in
the
thesis.
Keywords
:
Carbon
Fibre-Reinforced
Plastics;
laminate;
Mould
forming;
mould; Finte Element; Strength
目
录
摘要
Ⅰ
目录
Ⅲ
图清单
Ⅶ
表清单
Ⅻ
变量注释表
Ⅷ
1
绪论
1
1.1
课题背景及意义
1
1.2
国内外研究现状
3
1.3
研究方法
4
1.4
论文的研究内容
4
1.5
论文结构
5
2
复合材料结构及其力学性质
6
2.1
复合材料分类
6
2.2
复合材料的特性
7
2.3
复合材料层合板铺层设计
9
2.4
经典层合板壳理论
10
2.5
复合材料强度准则
15
2.6
复合材料制品模压成型时载荷分析
3
碳纤维复合材料制品成型模具设计
3.1
制品成型工艺特征
20
3.2
模具设计
21
3.3
模具装配与工艺
26
3.4
模具设计参数
27
4
复合材料有限元分析及
ANSYS
应用
4.1
有限元分析步骤
30
4.2
ANSYS
在复合材料分析中的应用
4.3
复合材料分析示例
33
5
基于
ANSYS
复合材料制品成型分析
5.1
单元选择
38
17
20
30
31
38
5.2
导入分析模型
39
5.3
参数选择与约束处理
40
5.4
铺层设计对制品强度的影响
40
6
基于
ANSYS
复合材料制品应用分析
46
6.1
复合材料制品受载情况
46
6.2
有限元参数选择与约束处理
47
6.3
四种铺层方式分析结果比较
49
7
总结与展望
55
7.1
总结
55
7.2
展望
55
参考文献
58
作者简历
60
学位论文原创性声明
61
学位论文数据集
62
Contants
Abstract
Ⅰ
Contents
Ⅲ
List of Figures
Ⅶ
List of Tables
Ⅻ
List of
Variables
Ⅷ
1 Introduction
1
1.1 Background and Significance
1
1.2 Research
Status at Home and Abroad
3
1.3 Research Methods
4
1.4 Research Contents
4
1.5 Paper
Frame
5
2
Composite material and mechanical structure
analysis
2.1
Classification of Composite Material
6
2.2 Composited Material
Characteristics
7
2.3 Composite Laminate Ply Design
9
2.4 The
Classical Theory of Laminated Plate
10
2.5 The Strength
Criterion of Composite
15
2.6 Analysis of Products Load
17
3 Mould
Design of Carbon Fibre Composite Products
20
3.1 Forming
Technic Characteristics
20
6
3.2 Mould design
21
3.3 Mould Assembly and
Technic
26
3.4
Parameters Design
27
4 FEA of Composites and the Application
of ANSYS
30
4.1 The Steps of FEA
30
4.2 Application of ANSYS
in Composite Analysis
31
4.3 The Sample of Composite Analysis
33
5 FEA on
Mould Forming of Composite Products Using ANSYS
38
5.1 Choice of Element Types
38
5.2 Model Importing
39
5.3 Choice
of Parameters and Constraint Dispose
40
5.4 The Effects of Layer
Design on Product Strength
40
6 FEA of Composite
Products under Sport Loads Using ANSYS
46
6.1The Loads
at Composite Products
46
6.2
Parameters
Choice
and
Constr-
aint
Handling
in
Finite
Element
47
6.3 Response Comparison
of Four Ply-up Laminates
49
7 Conclusions and Prospections
55
7.1 Conclusion
55
7.2 Prospections
55
References
58
Author's
Resume
60
Declaration of Thesis Originality
61
Thesis Date Collection
62
图清单
图序号
图
2-1
图名称
常用复合材料按基体类型分类
页码
7
7
7
7
9
9
Figure2-1
Classification of common composites by
matrix types
图
2-2
复合材按增料强体形式分类
Figure2-2
The classification of composites by
reinforceed
bodies
图
2-3
复合材料结构设计过程
Figure2-3
Design process of
composite structures
图
2-4
Figure2-4
图
2-5
Figure2-5
图
2-6
Figure2-6
图
2-7
Figure2-7
图
2-8
Figure2-8
图
2-9
Figure2-9
图
2-10
Figure2-10
图
2-11
Figure2-11
图
2-12
Figure2-12
图
3-1
Figure3-1
图
3-2
Figure3-2
图
3-3
Figure3-3
图
3-4
Figure3-4
图
3-5
Figure3-5
图
3-6
几种常见的复合材料层合板铺层方式
Several ply-up schemes of composite
laminates
层板几何图形
Geometry of a laminate
坐标系
Coordinate
system
两种坐标之间的关系
The relation between two kinds of
coordinates
各层界面坐标
zi
9
9
10
10
11
11
12
12
14
14
15
15
16
16
17
17
18
18
19
19
22
22
22
22
22
22
22
22
23
zi
coordinate at interfaces
复合材料几项基本强度
Several basic strengths of the
composites
复合材料各应力分量
Stress components
模具装配结构图
The mould
assembly structure
坯料在模腔内的内载情况
Pressure at parts in the cavity
碳纤维复合材料制品几何结构
The
shape of product
组合块式凸模
Assemble block punch
整体式凹模
Entirety
die
模具脱模顶出机构
Demoulding mechanism
顶出机构三维效果图
3D
graph of demoulding mechanism
型芯嵌板
Figure3-6
图
3-7
Figure3-7
图
3-8
Figure3-8
图
3-9
Figure3-9
图
3-10
Figure3-10
图
3-11
Figure3-11
图
3-12
Figure3-12
图
4-1
Figure4-1
图
4-2
Figure4-2
图
4-3
Figure4-3
图
4-4
Figure4-4
图
4-5
Figure4-5
图
4-6
Figure4-6
图
5-1
Figure5-1
图
5-2
Figure5-2
Core panel
型芯
Punch
顶板
Butt plate
脱模机构
Demoulding mechanism
整体双腔凹模
Dual-
chamber mould
压制曲面效果
Curved surface effect
组合块型芯
Assemble
block punch
有限元分析流程图
The finite element analysis flow-
process diagram
Shell91
单元结构形式
Shell91 element structure
正交层合板结构
Orthotropic laminates structure
有限元模型
The finite
element model
材料铺层方式
The layer structure
层合板沿
X
坐标方向的应力情况
Laminated plates along the X-direction
stress
SOLID46
层单元结构
SOLID46
layer element structure
有限元网格
Finite
element grids
23
24
24
24
24
24
24
24
24
24
24
25
25
31
31
32
32
33
33
35
35
35
35
36
36
38
38
38
38
图
5-3
Figure5-3
图
5-4
Figure5-4
图
5-5
Figure5-5
图
5-6
Figure5-6
图
5-7
Figure5-7
图
5-8
Figure5-8
图
5-9
Figure5-9
图
5-10
Figure5-10
图
5-11
Figure5-11
图
5-12
Figure5-12
图
5-13
Figure5-13
图
5-14
Figure5-14
图
5-15
Figure5-15
图
5-16
Figure5-16
图
5-17
实体结构
Solid
structure
（
0/90/0
）铺层
(0/90/0)
ply-up
模型单元网格
Element grids
（
0/
90/0
）
Mises
应力
Figure5-6 Mises stress
in
（
0/90/0
剪应力
τ
xy
Shear stress
τ
xy
剪应力
τ
yz
Shear stress
τ
yz
剪应力
τ
xz
Shear stress
τ
xz
(0
/45/-45/0)Mises
应力
Mises stress in (0/45/-45/0)
剪应力
τ
xy
Shear stress
τ
xy
剪应力
τ
yz
Shear stress
τ
yz
剪应力
τ
xz
Shear stress
τ
xz
（<
/p>
0/0/0
）
Mises
应力
Mises stress
< br>（
0
，
0
，
0
）
剪应力
τ
xy
Shear stress
τ
xy
剪应力
τ
yz
Shear stress
τ
yz
剪应力
τ
xz
38
38
39
39
39
39
40
40
40
40
40
40
40
40
41
41
41
41
41
41
41
41
42
42
42
42
42
42
42
Figure5-17
图
5-18
Figure5-18
图
5-19
Figure5-19
图
5-20
Figure5-20
图
5-21
Figure5-21
图
5-22
Figure5-22
图
6-1
Figure6-1
图
6-2
Figure6-2
图
6-3
Figure6-3
图
6-4
Figure6-4
图
6-5
Figure6-5
图
6-6
Figure6-6
图
6-7
Figure6-7
图
6-8
Figure6-8
图
6-9
Figure6-9
Shear stress
τ
xz
（<
/p>
30/-30/30/-30
）
Mise
s
应力
Mises stress
in
（
30/-30/30/-30
）
剪应力
τ
xy
Shear stress
τ
xy
剪应力
τ
yz
Shear stress
τ
yz
剪应力
τ
xz
Shear stress
τ
xz
最大应力位置
The
maximum stress region
跟部受载
Load at heel
侧部受载
Load at side
四种铺层方式
Four ply-
up laminates
复合材料制品有限元模型
Finite element model
复合材料制品实体模型
Solid
model
结构参数设置
Structural parameters choice
第一种受载情况
The 1st
loading
第二种受载情况分析
The 2nd loading
约束
Constraints
42
42
42
42
42
43
43
43
43
43
43
45
45
45
45
46
46
47
47
47
47
48
48
49
49
49
49
49
49
图
6-10
Figure6-10
图
6-11
Figure6-11
图
6-12
Figure6-12
图
6-13
Figure6-13
图
6-14
Figure6-14
图
6-15
Figure5-15
图
6-16
Figure6-16
图
6-17
Figure6-17
图
6-18
Figure5-18
图
6-19
Figure5-19
图
6-20
Figure5-20
图
6-21
Figure6-21
图
6-22
Figure6-22
图
6-23
Figure6-23
图
6-24
（
0/0/0
）整体变形
Structural Deformation in (0/0/0)case <
/p>
（
0/0/0
）位移
Displacements in (0/0/0) case
（
0/0/0
）
Mises
应力
Mises stress
in (0/0/0) case
第
1
层
Mises
应力
Mises stress in 1st layer
第<
/p>
2
层
Mises
应力
Mises stress in 2nd layer
第
3
层
Mis
es
应力
Mises stress
in 3rd layer
（
0/90/0
< br>）位移
Displacement in
(0/90/0) case
Mises
应力
Mises stress
（
0/4
5/-45/0
）位移
Displacement in (0/45/-45/0) case
Mises
应力
Mises stress
（
30/
-30/30/-30
）位移
Displacement in
（
3
0/-30/30/-30
）
case
Mises
应力
Mises stress
（
0/0
/0
）位移
Displacement in
（
0
/0/0
）
case
Mises
应力
Mises stress
（
0/9
0/0
）位移
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
51
51
51
51
51
51
51
51
51
52
52
52
52
53
53
53
53
53
Figure6-24
图
6-25
Figure6-25
图
6-26
Figure6-26
图
6-27
Figure6-27
图
6-28
Figure6-28
图
6-29
Figure6-29
Displacement in
（
0
/90/0
）
case
Mises
应力
Mises stress
（
0/4
5/-45/0
）位移
Displacement in
（
0
/45/-45/0
）
case
Mises
应力
Mises stress
（
30/
-30/30/-30
）位移
Displacement in
（
3
0/-30/30/-30
）
case
Mises
应力
Mises stress
表清单
53
53
53
53
53
53
53
54
54
54
54
表序号
表
1-1
Table 1-1
表
2-1
Table 2-1
表
3-1
Table 3-1
表
3-2
Table3-2
表
5-1
Table5-1
表
6-1
Table6-1
表
6-2
表名称
表
1
-1
金属与碳纤维材料的比强度、比模量对比
Comparison of specific strength and
modulus between
metal and fabric
materials
几种复合材料和金属材料的力学性能比较
Comparison of mechanical properties of
composite
materials and metal maerials
T300/5208
材料的性能指标
The performance index of T300/5208
解析解与
ANSYS
解相比较
< br>
Analystical solution and ANSYS
solution
四种铺层的最大应力比较
Comparison of maximum stresses in 4
ply-ups
跟部受载时最大位移和应力
Maximum displacements and stresses
under the load at
heel
侧边受载时最大位移和应力
页码
2
2
8
8
35
35
38
38
46
46
54
54
56
Table6-1
Maximum displacements and stresses under the
Table6-2
56
、
τ
、
γ
、
G
Q
C
w
0
k
load at side
变量注释表
正应力、剪应力
正应变、剪应变
弹性模量、剪切模量
泊松比
刚度矩阵
弹性矩阵
材料主轴方向
沿
x
轴的位移
沿
y
轴的位移
沿
z
轴的位移
(
挠度
)
层板厚度
层板跨度
中面上沿
< br>x
轴的位移
中面上沿
y
轴的位移
中面上沿
z
轴的位移
(
挠度
)
弯曲挠曲率
单位宽度合内力
单位宽度合内力矩
拉伸刚度
弯曲刚度
耦合刚度
地
i
个界面的
z
坐标
纵向拉伸强度
纵向压缩强度
横向压缩强度
横向拉伸强度
[
K
]
纵向最大拉伸应变
纵向最大压缩应变
横向最大拉伸应变
横向最大压缩应力
平面最大剪切应变
单元内任一点的位移列阵
单元形函数矩阵
单元节点位移列阵
单元应变列阵
单元应力列阵
应变矩阵
应力矩阵
单元节点载荷列阵
单元刚度矩阵
1
绪论
1 Introduction
1.1
课题背景及意义（
Background and
Significance
）
该论文
课题来源于连云港金麦特精密机械有限公司和日本知名运动装备器械生
产公司禧玛诺（<
/p>
Shimano
）的合作项目。金麦特精密机械有限公司主要从事
注塑模
具、复合材料模具的研发与制造。金麦特公司受禧玛诺公司委托，为其开发一款运
动鞋上的碳纤维加固件的模具。鉴于该产品及其模具的设计、材料性能和加工性能
的特殊性，在成型技术和模具结构设计上面临一些技术难题。为此，金麦特公司申
请了连云港市科技创新项目“高精度薄壁碳纤维复合材料成型技术”，联合高校一
起开展技术攻关。作为应用型硕士研究生，这是一个提供实践环境和锻炼应用能力
的
技术开发类课题，同时也体现了一定的学术性。在校内导师和企业副导师指导
下，作者作
为课题组成员参加了产品和模具的设计与生产，产品研制获得了成功，
项目以优异的成绩
通过了连云港市科委的鉴定，并已投入禧玛诺公司的实际生产
中。
在本论文中所采用的制品材料为碳纤维复合材料。复合材料从概念上来讲是
指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料
[1
]
。复合
材料的性能优于组分材料的性能，它改善了组分材料的
刚度、强度、动力等性
能
[2]
。众多
复合材料中，碳纤维复合材料是性能较为优越的复合材料代表，其
高弹性模量、高强度的
力学性能，使其在众多领域得到了广泛应用。体育用品
一般要求质量轻、强度大、阻尼性
能好，而碳纤维复合材料具备了所需要的物
理性能，日益成为高档运动器械的优选材料。
碳纤维复合材料研究起步于上个
世纪四五十年代，主要应用于航空航天等尖端技术领域和
军工产品。而随着生
产工艺的成熟和成本控制，碳纤维复合材料已经逐渐从高端应用进入
了普通大
众的生活用品。而体育器械也成为了碳纤维材料主要使用领域之一
[3]
，主要
缘于三点：
1
、碳纤维复合材料具有优越的力学性能，以及其他材料达不到
的物化特
性。比如耐高温和耐腐蚀等。
2
、复合材料最明显的特征就是可设计性，使用者根据需要对材料的种类，以
及材料中增强纤维的含量等方式进行对材料结构设计。此外，在对材料进行设计
< br>时，可任意改变材料的铺层角度和顺序，来满足材料在使中的强度要求
,
这在一般
的金属材料的结构设计中是较难实现的
[4]
。
3
、对多种单一材料进行有机组合构成的复合材料，为解决单
一材料性能缺
陷提供了一种方法，使材料既保留了原有材料的优良属性，又克服其作为单
一材料
的不足。复合材料给设计人员提供了一种比强度、比模量高的材料
,
为结构轻型
化、小型化提供了可能。
表
1-1
给出了几种金属材料与高强度碳纤维材料复合材料的比强度和比模
量的对比，显示了碳纤维材料的比较优势。
表
1-
1
金属与碳纤维材料的比强度、比模量对比
Comparison of
mechanical properties of composite materials and
metal maerials
材料
钛
钢
铝
高强度碳纤维
/
环氧
比强度（
0.13
0.13
0.17
1.03
）
比模量（
0.27
0.27
0.26
0.97
）
为了充分利用碳纤维复合材料的优良性能，需要解决好两个方
面的技术问
题：复合材料制品的设计和制造
（
1
）复合材料产品设计。纤维复合材料在工程应用中一般以层合结构的形式出
< br>现
,
当复合材料制品作为主要承力部分时
,
对结构的强度、刚度等承载能力进行分析
及预测显得
重要且必要，这也是安全可靠、经济地使用复合材料的基础。单纯采用
试验方法必然需要
较高的时间成本和费用成本。所以，在进行复合材料制品设计
时，引入数值分析的方法对
于提升制品的设计和制造均有较大的实用意义。由于复
合材料层合结构具有可设计性，数
值分析有助于实现结构的优化设计，最大限度地
发挥材料的增强性能。当然，也是由于结
构的复杂性，给设计计算带来了障碍，传
统上针对各向同性材料的设计计算方法不再适用
，需要建立针对性的数值方法。商
业有限元软件的日益成熟为设计新型材料结构提供了可
能的分析工具，为产品的设
计与开发提供了经济便捷的途径。
（<
/p>
2
）复合材料产品制造。鉴于这类非金属材料的机械加工性能的特
点，
适合采用加温压力固化的工艺，目前以模压成型加工为主要成型方法。但国产
复合材料成型模具技术一直不高，对于结构复杂、材料特殊制品的模具，更多
< br>是由国外进口，导致生产成本过高，而且对于模具的维护和修改都比较困难。
所以
提高碳纤维制品的模具技术势在必行，以使模具材料的选择、精度、服役
寿命等方面达到
理想的效果
[5]
。此外，采用何种模具结构、工艺方案对复合
材
料制品成型质量会产生直接或间接的影响。所以在设计模具时，尽量使结构形
式简洁、操作方便，更重要的是，必须保证制品的成型效果。采用模压成型
时，不但要考虑成型外观，还要保证复合材料制品的内在质量。根据碳纤维复
合材料本
身结构的独特性，该材料在模压成型过程中可能产生纤维的断裂、层
间的开裂等典型破坏
形式；参数选择方面，有模腔内的压力、模具表面与坏料
之间的穿透容差、锁模力等各种
设计参数选择是否恰当等。这些可能出现的问
题，都需要进行反复的试验和探索，但试验
不但成本较高，而且试验周期较
长，不利于产品的开发。利用一些
CAE
软件（如
ANSYS
）等工程
分析仿真软件，
可以有效地解决这些问题，大大缩短产品的研发设计周期，提升经济效益
。
1.2
国内外研究现状（
Research Status at
Home and Abroad
）
模压成型是对热固性和热塑性材
料适用的成型方法。其工艺过程为：首先将
碳纤维复合材料毛坯料进行预热软化，然后将
毛坯手工放入模腔内合模。将模具加
热固化成型，冷却开模，脱模后得到碳纤维复合材料
制品。模压成型工艺的成型效
果较好，精度控制较理想。但是这种成型方法也有一定的局
限性，模具设计制造复
杂，压机及模具投资高，制品尺寸受设备限制，一般只适合制造批
量大的中、小型
制品
[5]
。本项目产
品属于尺寸小、批量大的制品，故选择模压成型工艺。但由于
我国高性能碳纤维的生产受
技术制约（最近江苏中复神鹰碳纤维有限公司攻克了大
规模生产高性能碳纤维的技术，国
产化程度正在加速），生产规模较小，复合材料
制品模具技术目前有待完善和进一步发展
。作者对于复合材料成型模具设计方面做
了一些研究和探讨。
本项
目中，碳纤维复合材料用于运动鞋跟部的加强片，增加其运动时的强
度、抗变形能力，以
及运动舒适度。这种碳纤维加强片由多层预浸片铺设经加热固
化成型，在力学模型上，属
于复合材料层合板壳结构。在实际运用时，复合材料加
强片受多种冲击载荷作用，会产生
很大的峰值载荷，可能产生材料的失效。由于其
结构的特殊性，纤维断裂和层间开裂是其
主要破坏形式。对材料的破坏失效研究主
要有两种方法：实验研究和数值仿真研究。本文
以
ANSYS
为工具，从数值仿真入
手
，采用复合材料理论及其有限元法，对碳纤维复合材料制品在运动中的峰值载荷
作用下结
构的强度和刚度进行数值分析，实现结构优化。
复合材料层合
板的强度分析已有相当的研究见诸文献。初期研究认为：在复合
材料层合板中，如果其中
任意一层发生破坏，那么就认为该材料已经破坏，这种判
断准则被称为首层失效假设
(First-ply Failure Criterion
，<
/p>
FPF)
。基于以上判定
准则，
Reddy6]
和
Ray C
等
[7]
相关学者对此假设进行了检
验。可是，由于复合材
料层合板多相性和各向异性的性质，材料的失效过程是一个逐步发
生演化的过程。
就材料的破坏形式而言，可能出现纤维拉断、材料脱层、集体开裂、起皱
等破坏形
式。但这种破坏也并不是完全同时发生，在某层发生破坏以后，其它材料层会继
续
起
到
承
载<
/p>
作
用
。
这
种
破
坏
假
设
被
称
为
最
终
层
失
效
假
定
(Last-ply
Failure
Criterion
，
FPF)
。在构建力学模型和计算方法方面，众多学者采用<
/p>
ANSYS
等有限
元软件作为主要手段。
王璐璐等
[8]
基于经典层合板理论，采用
ANSYS
软件中的
APDL
、
UIDL
、
APFS
语言，对
ANSYS
进行二次开发，构建了复合材料层
合板的冲击
分析模块，该模块主要用来分析复合材料层板在受静载的整个过程中材料逐步
发生
分层、纤维断裂问题。舒小平等
[9]
对于复合材料层合板界面缺陷问题建立了有限
元法模型。崔海坡等
< br>[10]
提出应用带缺陷的模型对带孔复合材料板进行了压缩模拟
分析，从多个方面考查了材料纤维断裂、基体开裂、剪切破坏、材料脱层等多种主
要破坏形式，而且在
ANSYS
通用模块的基础上进行二次开
发，用来模拟任意铺层角
度、厚度的复合材料层合板的损伤过程、失效载荷。
1.3
研究方法（
Research
Methods
）
成型工艺。该复
合材料制品的成型工艺要求高，制品的几何形态相对比较复
杂，对成型模具有特殊要求。
特别是异形薄壁零件在成型过程中，制品在模具型腔
内所受压力的均匀性要通过模具来保
证，并且要保证制品成型以后的几何尺寸和内
在质量满足设计要求。所以模具结构设计是
否合理，是产品成型质量的关键因素之
一。根据碳纤维复合材料制品结构特征，采用了模
压热固成型方式。模压成型方法
在工艺上比其他成型方式简便，生产效率较高，成型质量
较高，能够保证复合材料
制品设计要求。能够实现较为复杂的几何形体成型，无需后续工
序处理。而且该成
型方法实现大规模自动化生产相对容易。
<
/p>
优化设计。本文考虑两种情况下的优化设计：一是模压成型时的结构强度和设
计优化。二是制品使用中载荷承受能力和结构优化。该结构属于多层层合结构，采
用有限元法数值方法为分析工具，本文选用
ANSYS
软件
进行模拟分析。
1.4
论文的研究内容（
Research
Contents
）
本文研究碳纤维
加固件在设计和生产过程中主要面临两大技术问题，一为成型
模具设计和加工工艺，二为
复合材料加固件受载分析和结构优化选择，因此，本文
的研究内容主要集中在两个方面：
（
1
）由
制品的材料和外形尺寸等因素，提出成型方案，拟采用模压成型方
法，设计成型模具。碳
纤维材料的成型要求高、产品结构有其特殊性，从而对成型
模具有特殊要求，特别是精度
要求较高的异形薄壁类零件，对模具的材料、结构形
式、加工工艺等有较高的要求。
（
2
）运用
ANSYS
软件对复合材料制品的结构进行优化设计选择，确保在成
型
过程和峰值载荷下结构不发生失效现象，变形得到控制。将依据复合材料层板的理
论，选择对应的单元，进行多种铺层和多类型载荷的分析比较，实现优化设计。由
于成型时模压压力大，加热固化成型的时间较长，可能使得制品在加工过程中就出
< br>现失效，所以，对复合材料制品在模压成型过程进行数值模拟是非常必要的。
1.5
论文结构（
Paper
Frame
）
1
绪论
<
/p>
简述国内外在该领域的研究状况和发展方向，简要介绍本论文的研
究方法和技术路线。
2
复合材料结构及其力学性能
本章主要从材料本身出发，明确材料性能，
< br>结合研究对象，确定在成型过程所应注意的事项，并预测可能存在问题。另一方
面
，从制品几何结构出发，考虑到载荷形式，建立描述其力学响应的复合材料层壳
理论。<
/p>
3
碳纤维复合材料成型模具设计
根据制品的几何结构、材料性质选择模压
成型方式，研究模具结构和型芯形式，对模具的主要尺寸进行设计计算和校核，提
出
模具加工工艺与精度要求，对模具的装配工序及方法给出详细说明。
< br>4
复合材料的有限元分析及
ANSYS
< br>应用
介绍有限元基本思想、
基本理论和
基本步骤，介绍
ANSYS
有限元软件及其功能、结构，重点介绍本文使用的单元，介
绍
A
NSYS
使用步骤，举例验证所选单元处理复合材料层合结构的可靠性。
5
基于
ANSYS
复合材料制品成型分析
利用
ANSYS
软件分析毛坯在模腔内压
< br>力成型的强度效应。由于该碳纤维复合材料属于热固成型材料，所以在成型过程需
要进行加热固化。其操作顺序为：首先对毛坯进行预热软化，然后放入模腔加载，
此时由
于碳纤维层合复合材料受热软化，树脂进一步发生交联反应，材料层间强度
变低。因此需
要对模压过程进行仿真分析，并提出优化方案。
6
基于
AN
SYS
复合材料制品应用分析
针对复合材料加强片在运动时的受载情
况进行分析。制品在使用过程
中有强度和刚度的要求，选择若干典型的峰值载荷，
通过比较铺层方式对等效应力和位移
的影响，找到最佳的铺层结构。
7
总结与展望
总结论文的应用价值及存在问题，探讨未来发展趋势。
2
复合材料结构及其力学性质
2 Composite Structures and Mechanical
Properties
根据国际标准化组织（
International
Organization for Standardization,
ISO)<
/p>
的定义：复合材料是由物理或化学性质不同的有机高分子、金属或无机非金属
等两种或两种以上材料经一定的复合工艺制造出来的一种新型结构材料。从定义出
发
[11]
，决定复合材料性能和质量的主要因素是：原材
料组分的性能和质量；原材
料组分比例及复合工艺；复合材料的界面粘接及处理
[12]
。
复合材料组分之间的复合模式主
要有宏观和细观复合两种。宏观复合主要是
指两层以上不同材料之间发生的叠合（也称层
合）。从某种意义上讲，这类层合复
合材料实际上是对结构的复合叠加，常见复合材料层
合结构就是将碳纤维或玻璃纤
维薄片进行层压，从而得到层合板。这种层合板的复合层有
时可达百层以上。细观
复合是一种或几种制成细微形状均匀分散于另一种连续材料中
[13]
。
2.1
复合材料分类（
Classification of
Composites
）
复合材料分
类的依据较多，根据基体材料和增强体材料的不同，所分的种类繁
多。依据金属材料、无
机非金属材料和有机高分子材料等的不同组合，通过对不同
组元以不同方式进行组合，可
构成各种不同的复合材料体系。由复合材料的分类准
则可知，本文所研究对象可归类为碳
纤维复合材料层合结构材料。碳纤维复合材料
的研究最早起源于上个世纪中期，首先用于
军工产生，而且品种和用途比较单一。
随着对复合材料研究的深入和需求的日益增长，复
合材料的种类和性能等级越来越
多，被广泛用于国民经济的不同领域。
< br>
2.1.1
按用途分类
<
/p>
复合材料按用途一般可分为两大类：功能复合材料和结构复合材料。结构复合
材料，通常是指由能承受载荷的增强体与基体组元构成的材料，分别作为主承力和
次承力组元。一般来说，复合材料中的增强体承担结构中主要载荷，基体材料的作
用
只是把增强体粘接在一起，并起到传递应力和增加韧性的作用。复合材料的比重
要比单一
材料要低，而强度和刚度则要比单一材料高。功能复合材料常用于特定的
物理环境，改善
材料的物理性能，或用作传感和作动元件。根据上述分类方法，本
项目所采用材料为结构
复合材料。
2.1.2
按基体类型分类
基体材料有金属、非金属材料。
非金属又分为有机、无机材料，在众多非金
属复合材料种类中，采用的基体材料主要是有
机聚合物
[14]
，其中聚合物基复合材
料的应用已经从高科技术领域的尖端产品，走向大众生活用品。按基体类型分类
如图
2-1
所示：
复
合
材
料
水泥基
复合材料
金属基
复合材料
陶瓷基
复合材料
碳基
复合材料
聚合物基
复合材料
高温陶瓷基
玻璃陶瓷基
橡
胶
基
轻金属基
图
2-1
常用复合材料按基体类型分类
Figure2-1 Classification of common
composites by matrix types
2.1.3
按增强体形式分类
同样地，按增强体
材料和形式分类品种也很多。如颗粒增强型，这种增强体在
日常生活中最常见的方式就是
混凝土，其中水泥做为基体材料，沙粒作为增强体。
而本文所采用的碳纤维复合材料是以
树脂为基体，连续纤维为增强体的层合材料。
分类方式如图
2-
2
所示
[15]
。
复
合
材
料
金属基
复合材料
水泥基
复合材料
陶瓷基
复合材料
聚合物基
复合材料
人工晶片
天然片状物
微米颗粒
纳米颗粒
不连续纤维
连续纤维
图
2-2
按增强体形式分类的复合材料
Figure2-2 The classification of
composites by reinforced bodies
2.2
复合材料的特性（
Composite
Characteristics
）
工程应用中，常通过以下几个方面的材料指标来评价材料优劣，主要表现为
[16]
：
（
1
）比强度与比模量高
通过表
1-1
可以看出几种金属材料与高强度碳纤
维复合材料的比强度和比模量
的差别。碳纤维复合材料是其他金属材料的数倍，在密度上
，比铝小；在强度上，
比钢大。碳纤维复合材料这种比重轻、强度大的特性，必定得到广
泛的应用。作为
衡量材料承载能力批标，比强度、比模量表明了该材料在力学性能上的优
越性，有
利于结构的减重。
如表
2-1
所示，
玻璃纤维增强树脂
基复合材料的
密度为
2.0
,
只有普通碳钢的
1/4~1/5
，约是铝合金的
2/3
，比强度却超过普通碳钢
[17]
；而碳纤维
的比强度和比模量更要超出数倍，减重效果斐然。
表
2-1
几种材料的力学性能比较
Table2-1
Comparison
of
mechanical
properties
some
materials
密
度
材
料
钢
铝合金
钛合金
玻璃纤维增强树脂基复
2.0
合材料
碳纤维Ⅱ
/
环氧树脂复
1.45
1.50
1.4
1.03
0.97
1.06
0.4
0.53
0.20
7.8
2.8
4.5
MPa
1.03
0.47
0.96
MPa
2.1
0.75
1.14
0.13
0.17
0.21
0.27
0.26
0.25
拉
伸
强
度
弹
性
模
量
比强度
比模量
合材料
碳纤维Ⅰ
/
环氧树脂复
1.6
合材料
有机纤维
/
环氧树脂复
2.1
合材料
（
2
）复合材料的可设计性
对于传统材料来说
，要改善产品的承载能力，一般采用的方法是通过改变结构
的几何形状和约束条件来实现
，但材料的力学性能本身并未发生改变。复合材料与
传统材料最大区别就是可以根据需要
对材料的性能进行设计。基体材料和增强体材
料均可根据选择，然后通过一定的方法对两
种或多种材料进行有机组合，得到复合
材料。复合材料的性能不但与基体材料、增强体材
料有关，还与增强体材料在复合
材料中所占的体积比有关
[18
]
。对于结构复合材料，还与增强体材料的配置方式有
关。比如
碳纤维复合材料层合板，纤维含量、铺层角度、各层厚度、基体材料粘接
的强度等因素，
均能影响复合的性能
[19]
。总之，复合材料结构的可设计性
的优势
是其他传统材料无法比拟的，可根据使用情况针对性地规划结构的铺层方案。在实
际应用中，根据使用环境、载荷形式等因素，对复合材料铺层进行优化设计是非常
有必要的。本文针对复合材料制品在成型和受载时的情况，对多种铺层进行了对比
分析，从中选择最佳铺层方式，充分发挥材料的机械性能。
在整个复合材料结构设计过程中，包括了多种类型的设计。例如层合板设计、
典
型结构件设计以及连接设计等。所以，要综合考虑多种因素对设计的影响，主要
因素有：
结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定，质量控制、工装模具的通用
性及设计经验等
。其结构设计过程如下图所示：
性能要求
载荷情况
环境条件
形状限制
失效分析
应力与应变分析
铺层性能确定
原材料选择
层合板设计
典型构件设计
结构设计
1.38
2.1
0.66
1.0
1.07
2.4
0.67
1.5
图
2-3
复合材料结构设计过程
Figure2-3 Design process of composite
structures
2.3
复合材料层合板铺层设计（
Ply-up Design of
Composite Laminates
）
复合
材料的主要特征是结构层合。而且材料中每层的材料性能可能不同，进
行交叉或单向层叠
构成。在对材料铺层设计时，各单层材料的主方向可以与其他铺
层不同。构成层合板的各
单层可以是同种材料，也可以是不同材料。复合材料层合
板设计又称为铺层设计，在设计
过程中对各铺层的铺设角度、顺序均可按照需要进
行改变。各单层的材料主方向的布置应
使结构元件能承受其上最大的应力或控制变
形，利用铺设方向的选择性可以得到优化的层
合结构。
（
a
）单向铺层
(b)
（
0/90/0/90
）正
交铺层
（<
/p>
c
）
(0,45
铺层
（
d<
/p>
）
(0,90,45,-45)
铺层
图
2-4
几种常见的复合材料层合板铺层方式
Figure2-4
Several ply-up schemes of composite
laminates
根据受载方式和用途选择不同铺设方式的
复合材料层合结构。（
a
）型铺设方
式
相对简单，这种结构所承受的载荷也相对单一，承受拉伸载荷。（
b
）型铺设方
式为正交铺层。一般要承受拉伸和压缩载荷以及有限的剪切载荷，对于应
力状态为
拉伸应力或压缩应力的构件比较适用。（
c
）型铺层方式主要承受拉伸和剪切的载
荷，可以用来设计抗拉伸和剪切应力
的构件。（
d
）型承受拉伸载荷、压缩载荷、
< br>剪切载荷，用于面内一般应力作用的构件设计
[20]
。
2.4
经典层合板壳理论
(The Classical
Theory of Laminated Plates and Shells)
复合材料在力学性质上是各向异性的，与各向同性材料的力学性质的差别主要
体现在应力
-
应变关系的不同。除此之外，二者在平衡方程、几何方程、协
调方程
与边界条件等，形式上是相似的。本文的制品属于碳纤维层合结构，几何形体表现
为薄壳。研究其力学响应的理论称为复合材料板壳理论，主要可以归纳为经典理
论、一阶理论、高阶理论等，理论的复杂程度也随之增加。因为本文制品的厚度仅
2mm,
与跨度之比非常小，经典层板理论已可以精确地计算结构的力学响应，
本文在
进行结构优化设计时将选用经典理论及其有限元模型。
图
2.5
层板几何图形
Figure2-5
Geometry of a laminate
2.4.1
正交各向异性材料应力
-
应变关系
坐标系见图
2.6
。以
u
、
v
、
w
分别表示沿坐标
x
、
y
、
z
的位移。应力和应
变各
为
6
个，以向量记为
[21]
（
2-1
）
在材料变形较小时应变与位移的关系如下：
（
2-2
）
z
，
3
式中逗号表示求导。
x
，
1
y
，
2
<
/p>
图
2-6
坐标系
Figure2-6 Coordinate system
正交各向异性材料的线弹性应力
-
应变关系可以表示为
（
2-3
）
刚度系数矩阵
[
C
]
是一个对称矩阵。当材料的主轴
1
、
2
、
3
与
坐标轴
x
，
y
，
z
重合时（见图
2-6
），
[
C
]
表示为
（
2-4
）
Cij
（
i
,
j
=1-6
）与材料的弹性模量、剪切
模量和泊松比有关，
9
个独立的材
料常
数记为
E
11
、
E
22
、
E
33
、
G
12
、
G
13
、
G
23
、
υ
12
、
υ
13
、<
/p>
υ
23
。
Cij
与它们的关
系
（
2-5
）
其中
6
个泊松比有下列关系
（
2-6
）
在多数复合材料层合结构的二维板壳理论中，材料沿厚度方向的变形是可以忽
略的，即取
ε
z
=0
，此时，应力与应变的关系可以简化为式（
2-7
< br>）
（
2-7
）
或分别简写为
（
2-8
）
Qij
称为退化刚度系数
(Reduc
ed Stiffness Coefficients) [22]
，
[
Q
1]
和
< br>[
Q
2]
分别称为面内刚度矩阵
与横向剪切刚度矩阵，其计算公式如下所示：
（
2-9
）
图
2-7
两种坐标之间的关系
Figure2-7 The relation between two
kinds of coordinates
若铺层时材料的主轴
1-2
与坐标轴
x
-
y
不重合（差一个角度
θ
，
见图
2-7
），
变换后的刚度系数矩阵
分别为
[
Q’
1]
与
[
Q’
2]
：
（
2-10
）
刚度系数的变换服从下列关系
[23]
（
2-11
）
式中
m
=cos
θ
，
n
=sin
θ
。
2.4.2
经典层合板壳理论
因本项目所用复合
材料加固件厚度仅约
2
毫米，因此结构属于薄板。即当厚度
t
与跨度
L
之比＜
1/10
时，可采用薄板假设，挠度
w
沿厚度变化被忽略，取
，以下
3
个应力可以忽略
(2-12)
根据复合材料层合薄壳理论，其位移场可以表示为
(2-13)
在复合材料层壳的第
i
层，应力
-
应变关系为：
式中
是该层合板中面的正应变，而
（
2-14
）
是中面的弯曲挠曲率
（
2-15
）
令层合壳单位宽度上的内力分别为：
为：
到
:
，单位宽度上的内力矩分别<
/p>
。内力和内力矩可通过对层合板各单层的应力沿厚度求积分来得
（
2-16
）
它们与应变的关系为
（
2-17
）中，
(2-17)
称为拉伸刚度，
表示面向内力与中面应变有关的刚度系数；
称
为弯曲刚度，内力
矩与曲率及扭曲率有关的刚度系数；
称为耦合刚度，表示拉
伸、
弯曲之间有耦合关系
[24]
。当层合板构造确定后，这些刚度
可由（
2-17
）得
（
2-18
）
的定义如图
2-5
式中
表示第
i
层板的刚度系数。层合板中各层界面的坐标<
/p>
所示：
图
2-8
各层界面坐标
zi
Figure2-8
zi
coordinate at interfaces
根据
H
amilton
原理
[18]
，得到层
壳的控制方程
(2-19)
式中惯性项按下式求和
边界条件为
un
或
Nn
给定；
us
或
Nns
给定；
w
或
Qn
+
Mns
,
s
给定；
定
若壳为深壳，对位移场（
2-13
）要作些改变
应变—位移关系变为
(2-23)
其控制方程变为
(2-24)
2.5
复合材料强度准则
(The Strength Rules
of Composites)
,
n
或
Mn
给
(2-20)
w
(2-21)
(2-22)
复合材料在各向的强度是不同的，而能够体现材料各向的基本强度主要有以下
几个方面分
别为：垂直纤维铺层方向的拉伸强度
和压缩强度
，平面剪切强度
S
、沿纤维铺层方向的拉伸强度
和压缩
强度
[23]
。如图所示：
图
2-9
复合材料几项基本强度
Figure2-9
Several
basic
strengths
of
the
composites
复合材料强度准则是判断复合材料在给定的载荷下是否失效的理论依据，其准
确性需要靠试验验证和数值模拟来确定。复合材料的强度主要与材料性能和受载后
< br>的应力状态、应变状态和应变能的大小有关
,
还与环境
因素、加载速度、加载时
间、应变率以及材料的内部构造、缺陷和损伤的状况、尺寸因素
、试验装置、试验
条件有关。定义失效准则时
,
最理想的状况是所定义的参数尽量的少
[25]
。总
之失
效准则是个相当复杂的问题
,
需
要用数学物理方法来揭示复合材料真实的性质，且
需不断地进行改进和优化，构建符合实
际情况的失效准则。常用的复合材料强度准
则有以下几种：
<
/p>
（
1
）最大应力准则
该准则用于单向复合材料时认为，当材料在复杂应力作用下，由线弹性状态逐
步发展为材料破坏状态，是因为作用在材料上的其中一个应力分量值已经达到了该
材料的基本强度值，最大应力准则的判定原理与首层破坏理论相似。也就是说，如
< br>果材料没有发生破坏，那么，材料各轴的应力值一定保持在基本强度值以下。
（
2-17
）
图
2-10
应力分量
Figure2-10
Sress components
不等式（
2-17
）中只要有其中一式不成立，即认为材料失效。
（
2
）最大应变准则
与最大应力准则相对应，最大应变准则对复合材料失效的判定标准为：当材料
在载荷作用下产生变形，各主轴方向的应变值达到了材料各轴基本强度所对应的应
变值
[25]
。
最大应变准则条件：
式中
—纵向最大拉伸应变
—纵向最大压缩应变
—横向最大拉伸应变
—横向最大压缩应变
（
2-18
）
—平面最大剪切应变
不等式（
2-18
）中只要有其中一式不成立，即认为材料失效。
<
/p>
（
3
）蔡
-
吴（
Tsai-
WU
）失效准则
对各向异性单向板，当材料状态一致时，
Tsai-
Hill
提出相应的强度条件为
（
2-19
）
其中六个参数的表达为：
在实际应用中，当式（
2-19
）小于
1
时，表示材料处于安全状态；等于
1
时，
材料处于临界状态；大于
1
时，表示材料已经破坏。
(4) von Mises
准则
von
Mises
准则（第四强度理论）的等效应力表达式为：
（
2-20
）
根据复合材料的材料性质和制品成型和使用时的应力状态，
Mi
ses
准则能够较
为真实地反映结构的强度状况。在有限元分析
软件中，在求解后处理时，选用
Mises
等效应力做为判定材
料应力状态的依据。
Mises
应力是反映材料受载的等效
应力，可以用应力云图的方式直观清晰地描述出整个构件应力的分布状态，从而快
速地确定危险区域。
2.6
< br>复
合
材
料
制
品
模
压
成
型
时
载
荷
分
析
(Analysis
of
Loads
at
Composite
Products in
Forming)
本文所讨论的复合材料制品的结构形式为薄壳类，材料类型为聚合物
基热固性
连续纤维增强复合材料，材料物理性能如表
2-1
所示。在坯料装模之前，对毛坯进
行预热变软，将其粘贴在模具凹模
上，由装在液压机上的凸模进行压制固定成型，
然后热固成型。
1
4
6
5
3
2
图
2-11
模具装配结构图
Figure2-11 The mould
assembly structure
该模具设计为双腔结构，其中：
1-
顶板；
2-
凸模嵌板；
3-
凸模；
4-
制品坯料；
5-
整
体式凹模；
6-
脱模顶出杆。
由上图可见，制品坯料在成型过程中，主要承受凸模与凹模之间的分布压力，
而模具的设
计就是保证使坯料在压制过程中受载均匀，以保证成型后厚度均匀。模
具的作用是固定成
型几何结构，并施加一定的载荷。由前面章节中对材料以及结构
的论述可知，制品坯料在
成型过程中，沿厚度方向并不产较大变化，由此可以推断
出，毛坯并不产生过多的余料（
在模具设计时可不用设置溢料口），基本保持了毛
坯的尺寸，只是在几何结构上发生变化
。
在毛坯装入模具之前，需要对其进行预热，使其变软，然后
放入模具进行压
制，经过加热固化成型，再经冷却开模，脱模等，到最终成型。在整个工
艺流程中
,
制品在保压的环节受载最大，容易产生破坏。因此，
合理选择合模压力，既保证制
品的成型，又不产生损伤，显得至关重要。由此选择压力机
的型号，为产品设计提
供基本的参数。
图
2-12
坯料在模腔内的内载情况
Figure 2-12 Pressure at parts in the
cavity
由上图可以看出，理想的加载状态是将载荷施加在曲面法向上
。但是，由于
其不规则的曲面结构，加载方式最终是压机通过模具实现，所以模具设计是
否合
理，将决定成型质量。为了避免在压制过程中出现纤维拉断和材料脱层等破坏形式<
/p>
出现
,
将模型导入
ANSYS
进行仿真分析，并根据
von Mises
应力和位移矢量来优化
铺层方式。
3
碳纤维复合材料制品成型模具设计
3 Mould Design of Carbon Fibre
Composite Products
该制品为异形薄壁构件，成型过
程不是改变构件的厚度，而是改变构件曲面
形状。此外，成型过程还要求高温固化。根据
这些成型要求及复合材料制品的流动
性能选用模压成型工艺。模压成型也可称为压制成型
。本文选用聚丙烯腈基碳纤维
复合材料，其成型效果好，并满足制品需要的质量轻和强度
大的要求
[26]
。根据该
材料的物理
特性，在装模之前须将毛坯料进行预热
,
一般将毛坯料放在烤箱
内加温
至
，使复合材料软化，增加材料的流动性以方便装模。预
热工艺还有使复合
材料干燥，去除材料内部水分的作用，降低压制所需要的成型压力。然
后放入模具
进行结构固定合模，最后施压加温固化。采用这种成型方法优点是工艺流程比
较简
单，操作方便，而且对原材料没有过多的浪费，在力学性能和外观质量上较好，成<
/p>
型以后无需进行二次加工。所以，在生产效率上相对其他成型方法有明显的优势。
对于异形薄壁类零件，成型压力的均匀性在成型过程中要通过模具来保证，才能保
证成型制品的设计精度要求，并且满足产品的内在质量。模具设计的基本思路是依
据所设计的成型制品曲面结构和曲率的变化，对模具的型芯进行分割处理，采用组
合块
式、变斜率型芯结构，在模具装配时，对各个组合块进行高精度装配，保证制
品上的正压
力各点相同，以满足成型厚度尺寸误差±
0.02mm
的要求。
根据碳纤维复合材料制品结构特点，要求凹模呈封闭、半封闭
曲面型腔，这种
凹模结构加工工艺与设备要求较高，传统的加工方式很难实现。随着
CADCAM
技术
的发展，计算机被广泛用
于辅助加工，对于一些复杂型面的零件制造取得一定的突
破，在加工精度和生产效率上也
得到较大提高。对模具的型腔加工，由于型腔的曲
面特征，整体加工比较困难，所以采用
分段电极加工，各段电极组合以后，其外形
轮廓与所设计凹模轮廓相同，最后，通过各段
电极放电加工凹模。型芯的加工方法
与此类似。
由于
碳纤维制品的曲率变化较大，并且其成型后硬度较大，对制品的表面精
度较高。综合各个
因素，在对模具脱模机构设计时必须保证制品顺利脱落，又因理
想的开模状态是把成型制
品保留在凹模内，所以可以在整体式凹模上设计脱模机
构。由于成型压力较高，脱模顶杆
采用反向锥度，成型时越压越紧，避免溢料。
3.1
制品成型工艺特征（
Forming Technic
Characteristics
）
该制品是运动器材上的加固片
(
图
3-1)
，要求质量轻、强调高，耐冲击
性好
,
碳
纤维复合材料符合这些需求。
图
3-1
复合材料制品几何结构
Figure3-1 Geometry of a composite
product
该制品采用的碳纤维复合材料属于热固性材料，具有良好的可塑性，成
型工艺
性能良好，制品表面光亮度较高且力学性能优良，特别适合用作体育运动的材料。
密度
ρ
＝
1.
29g
·
cm
－
3
、收缩率
Q
＝
1
‰。收缩及收缩的方向性很小，硬化速度较
快，因此，对
于保压时间需要严格控制
[27]
。
由于制品结构不规则、厚度小，精度要求在
6
< br>级以上，分型及加工存在一定难
度。制品在成型时材料沿厚度方向变化很小，因此
在模压成型时，在模具内并不产
生多余的溢料，引起变化的只是坯料的几何形状。
根据以上对材料性能和几何结构的分析，复合材料制品的毛坯料在进
行预热之
前已经做成相应的形状和几何尺寸，模具的作用只是改变毛坯料的形状，在这一
过
程中复合材料制品毛坯并不产生过多余料需要溢出，所以模具结构可不设溢料结
构。模压成型具有以下特点：制品成型外面质量好，受力均匀实密性好，溢料量较
少不产生原料浪费。因此，碳纤维复合材料制品成型比较适合采用这种成型方法。
当然，这种工艺也存在一些不足，因为成型过程需要加热、保压、冷却等工序，生
产
周期较长。此外，凸模与加料腔内壁间隙较小，要避免损伤凹模与型芯配合部
分。
如上所述，成型时几乎无溢料，模具型芯与型腔的尺寸就直接确定了
制品的几
何边界。模具结构分上模、下模、中间型芯固定板三部分，其分型面平行于液压
机
工作台。碳纤维产品成型工艺流程需经预热塑料，安放凸模拼块，压制，取出凸模
拼块和冷却五个过程
。首先将预热的聚丙
烯腈基碳纤维复合材料，手工放置在型
腔内；其次将中间型芯固定板通过导向机构放置在
上模；最后再通过导向机构合模
加压。
3.2
模具设计（
Mould
design
）
3.2.1
确定模具结构方案
由以上工艺分析可知，制品壁厚
只有
2mm
，并且要求厚度的均匀，并保证材
< br>料在成型过程中材料不发生破坏。因此，在模具设计时还必须考虑以下几个因素
[
28]
：
1.
有利于压力传递
该模具是针对异形薄壁碳纤维复合材料制品，由于其曲面特征，所以在选择加
压
方向时，应当避免制品受力不均匀。否则，塑件下部的分型线处压力过大，可能
导致塑件
下部溢料或上分型线处填充不足的现象。
2.
便于加料
确定加压方向以后，模具的分型面位置使制品开模后，保留在凹模。由该制品
的结构特
点，为使成型压力均匀作用于毛坯上，并且使塑件成型方向与加压方向一
致，应把型腔设
置在下模，便于加料和塑件流动。压力通过组合型芯向制品毛料的
内侧方向加压，压力能
有效地作用在复合材料制品上。
3.
便于安装和固定型芯
由于凸模与凹模合模时有倒扣现象，凸模不可以设计为整体式，否则不可以安
装，所以采用多剖分式结构型芯拼合而成（总共由五块型芯拼合而成，且中间那块
上表
面正中位置需设置一个
M8
的螺丝孔），使模具装拆方便。采用
这种组合型芯
必须保证各个组合块之间配合的精度。否则产品内表面就会出现溢料痕，影
响产品
的表面质量。因此需要设置一块型芯固定板，并且将固定配合部分加工出具有一定
斜度，利用斜位在压合时充分地将拼合的型芯压合紧密，保证产品的表面质量。然
后将中间型芯板在安装完成型芯以后固定在上模板上。
4.
保证凸模的强度
加压的上凸模受力较大，影响产品的内表面质量，为了保证凸模的强度，将凸
模
固定板固定部分加工成具有一定斜度的和凸模相应部位配合的孔，并且固定板固
定部分上
部倒角设计时须有一定力量起到楔紧闭合的作用，利用压合时的动作充分
将凸模压合紧密
，因为拼块有
5
丝间隙时，塑料就会产生溢料进入拼块缝隙，影
响
产品的外观质量。
5.
保证重要尺寸的精度
制品
的尺寸精度要求较高的部位，不宜设计在施压方向上。加压方向设计要
根据碳纤维产品成
型模具加压方向、分型面选择、便于安放型芯拼块的原则进行选
择。
3.2.2
模具型芯设计方案
综合以上对制品材料和结构的分析，模具结构应具有以下两个特征：
1.
组合块式变斜度型芯
由于
凹模结构为整体式，如果型芯也采用同样结构形式，在装配时会出现倒
扣现象，将开法开
模。所以对型芯进行分割处理，采用用组合结构。这样使开模更
加容易实现。其型芯与整
体式凹模结构形式如图
3-2
、
3-3
所示。
2.
反向锥度顶杆脱模机构。这种脱模方式操作简单，又能不损伤成型制品，对
于提高生产效
率有很帮助。
图
3-2
组合块式凸模
图
3-3
整体式
凹模
Figure3-2 Assemble block punch
Figure3-3
Entirety die
3.2.3
脱模机构设计
在完成模压成型以后，由脱模机构将成型制品推出模具型腔。在设计该机构
时，采用哪种脱模结构形式
,
应根据制品的结构形状与模具的
结构以及其他相关因
素来决定。通常采取的脱模方法有手动、机动、气动等方法。此模具
由于质量轻，
体积小，结构简单，选用人工操作推出机构推出塑件，如图
3-4
所示，通过操作侧
边带反锥度顶杆脱模结构将制
品从模具中脱落。
脱模机构是否合理对于模具的生产效率、劳
动强度均有很大影响，而且对于保
护复合材料制品的表面质量有至关重要的作用。这种脱
模机构小巧轻便，劳动强度
较低，效率较高。满足模具设计的目的，确保开模以后将制品
留在凹模。而且整体
凹模侧边开孔对模具的强度影响不大。结构形式如下图所示：
图
3-4
脱模顶出机构
图
3-5
脱模机构三维效果
图
Figure3-4
Demoulding
mechanism
Figure3-5
3D
graph
of
demoulding mechanism
3.2.4
模具工作原理
该成型模具采用
YB32-63
型四柱万能液压机上成型。其分型面平行于压机工作<
/p>
台面，分上模、下模、中间型芯固定板三部分，成型时首先将预热的依据型腔成型
尺寸裁剪的具有一定厚度聚丙烯腈基碳纤维毛坯，经预热后手工放置在型腔内表
< br>面，然后将中间型芯固定板通过导向机构放置在上模。再把拼块型芯依次放置在中
间型芯固定板中，注意要把中间那块型芯最后放入，否则型芯中存在倒扣将不能放
入，通
过导向机构，安装在上模板。由液压机施加压力，最后加热保压固化成型。
成型以后冷却
，将模具从液压机工作台移出，采用手工脱模。操作时，先将撬杠插
入上模板与中间型芯
固定板之间的槽中使导柱从导套中脱出，然后先用
M8
螺钉旋<
/p>
入中间那块型芯的螺钉孔，取出中间那块型芯，再用撬杠利用中间型芯固定板和下
模的槽通过导柱脱离导套使其分开，这时就可以把其他型芯通过中间型芯固定板侧
面的手柄一起取出，最后通过反向锥度顶杆将塑件取出。这样设计开模步骤以避免
开、合模时型芯与型腔摩擦损坏模具，使塑件变形。
由于该
复合材料制品在成型过程中基本不产生溢料，那么，该模具的加料腔与
模具的型腔合二为
一。成型压力将全部作用在制品上。不溢式碳纤维产品成型模具
的凸模与凹模配合精度较
高，所以制品成型以后，不会产生过多飞边。而且少量的
飞边方向与制品法向一致或与制
品表面存在一定的角度，较易清理。
根据复合材料的制品尺寸和查阅相关文献，按照成型要求，利
用逆向设计技术
及相关设计方法，做出模具的主要零部件如下图所示：
< br>
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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