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碳纤维桥梁的设计与模态仿真分析

范文

任雪飞邱致浩徐光景

摘要：碳纤维夹芯结構以及碳纤维增强塑料在减重方面有显著作用。本文利用碳纤维增强塑料和碳纤维夹层板对某型桥梁进行了设计，并利用Workbench对其进行了模态分析，结果表明：复合材料的振型较小，抗震性能较好。

关键词：碳纤维;桥梁结构;模态分析;仿真

中图分类号：TN82 ????文献标识码：A

复合材料在航空航天、船舶、桥梁建造中有诸多应用，诸如碳纤维板与Nomex蜂窝构成的碳纤维夹层板、碳纤维增强塑料等材料具有远高于常规材料的比强度和比刚度。在桥梁制造方面，碳纤维材料常用于桥梁结构损伤的加固修理，尚未有用碳纤维夹层结构和碳纤维增强塑料制造的桥梁。本文根据现实中的某种桥梁结构建立三维几何模型，用有限元软件ANSYS分析了碳纤维桥梁的振动特性。

1碳纤维桥梁设计

桥梁整体结构参照图1所示桥梁的结构，骨架使用碳纤维增强塑料，路面使用碳纤维夹层板。目标载重量550KN，桥梁整体尺寸长30m，宽7.92m，高7.68m。

在Solidworks软件中对桥梁骨架进行建模，导入到ANSYS中，得到桥梁骨架的几何模型，如图2所示。

在ACP模块中对其进行铺层设置，考虑到桥面主要受正应力和剪切作用力，单层板铺层为[0/45/0/-45/0]S，通过不断调整铺层的厚度，在保证用料最省的同时，让桥梁整体应力取得最小值。材料参数如表1所示。

2碳纤维桥梁模态分析

本文利用Workbench有限元软件对碳纤维桥梁进行模态分析，前四阶固有频率和振型如图3所示。

在分析桥梁模态时，往往更关注桥梁的低阶模态，从图上可以看出，振动模态变化不大，可见碳纤维桥梁抗震性能较为优越。

3结论

与传统桥梁相比，碳纤维桥梁具有自重小、比强度、比刚度大的优点，且在抗震方面性能优异。

基金项目：中国民航大学大学生创新创业训练计划项目“基于碳纤维复合材料的桥梁设计与制作”（项目编号：201910059109）。

参考文献

[1]刘玉刚.道路桥梁工程常见的结构性病害与加固技术[J].黑龙江科学，2020，11（06）：104-105.

[2]吴茂胜.纤维增强塑料在桥梁加固方面的应用[J].塑料工业，2016，44（05）：146-148+153.

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