碳纖維橋梁的設計與模態仿真分析

任雪飛 邱致浩 徐光景

摘要：碳纖維夾芯結構以及碳纖維增強塑料在減重方面有顯著作用。本文利用碳纖維增強塑料和碳纖維夾層板對某型橋梁進行了設計，并利用Workbench對其進行了模態分析，結果表明：復合材料的振型較小，抗震性能較好。

關鍵詞：碳纖維;橋梁結構;模態分析;仿真

中圖分類號：TN82 ????文獻標識碼：A

復合材料在航空航天、船舶、橋梁建造中有諸多應用，諸如碳纖維板與Nomex蜂窩構成的碳纖維夾層板、碳纖維增強塑料等材料具有遠高于常規材料的比強度和比剛度。在橋梁制造方面，碳纖維材料常用于橋梁結構損傷的加固修理，尚未有用碳纖維夾層結構和碳纖維增強塑料制造的橋梁。本文根據現實中的某種橋梁結構建立三維幾何模型，用有限元軟件ANSYS分析了碳纖維橋梁的振動特性。

1碳纖維橋梁設計

橋梁整體結構參照圖1所示橋梁的結構，骨架使用碳纖維增強塑料，路面使用碳纖維夾層板。目標載重量550KN，橋梁整體尺寸長30m，寬7.92m，高7.68m。

在Solidworks軟件中對橋梁骨架進行建模，導入到ANSYS中，得到橋梁骨架的幾何模型，如圖2所示。

在ACP模塊中對其進行鋪層設置，考慮到橋面主要受正應力和剪切作用力，單層板鋪層為[0/45/0/-45/0]S，通過不斷調整鋪層的厚度，在保證用料最省的同時，讓橋梁整體應力取得最小值。材料參數如表1所示。

2碳纖維橋梁模態分析

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

在分析橋梁模態時，往往更關注橋梁的低階模態，從圖上可以看出，振動模態變化不大，可見碳纖維橋梁抗震性能較為優越。

3結論

與傳統橋梁相比，碳纖維橋梁具有自重小、比強度、比剛度大的優點，且在抗震方面性能優異。

基金項目：中國民航大學大學生創新創業訓練計劃項目“基于碳纖維復合材料的橋梁設計與制作”（項目編號：201910059109）。

參考文獻

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