碳/玻混杂纤维复合材料自行车轮辋的优化混杂比及抗疲劳验证

摘要

针对全碳纤维增强聚合物基复合材料在使用过程中耐疲劳性不足的问题，为了构建出兼具耐压力强和耐疲劳性强且价格适中等优点的自行车轮辋，本工作设计和数值分析了一种由层间混杂碳纤维/玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料制成的自行车轮辋。首先，通过环氧树脂和纤维的材料力学性能，采用单胞理论计算得到连续纤维增强复合材料的各向异性的材料力学参数，作为ABAQUS铺层的输入材料参数。随后，从轮辋的侧壁和凸缘两部分的混杂比和铺层顺序出发，计算了碳纤维和玻璃纤维的混杂比和铺层顺序的变化对构件承载性能的影响。通过对多组方案进行设计、计算和对比分析，结果表明：轮辋侧壁的最佳碳纤维与玻璃纤维混杂比为3∶2，轮辋凸缘的最佳碳纤维与玻璃纤维混杂比为10∶16。5万次加速疲劳测试实验证明：采用优化后的铺层混杂比方案指导复合材料自行车轮辋的制备，可以抑制层间裂纹，显著提高复合材料轮辋的抗疲劳性。

关键词

自行车轮辋 / 碳纤维 / 混杂纤维复合材料 / 铺层优化设计 / 抗疲劳性