CFRP碳纤维复合材料的实验与仿真研究

CFRP（碳纤维增强复合材料）的实验与仿真研究
元春峰辛志峰, IDC,Lenovo
Fusanobu Nakamura, YMT,Lenovo
Joseph Holung, Raleigh,Lenovo
摘要:CFRP已成为航空航天乃至高端汽车的重要结构材料，但在电子领域的应用还不广泛。

本文以在ThinkPad产品上的应用，通过对CFRP材料的基本属性的实验与模拟，构建了其本构模型，进而应用到整机产品；通过整机产品的实验仿真对比，积累了CFRP这一复合材料的应用经验，并指导产品设计优化与开发。

关键词：Abaqus，仿真，模拟，CFRP，ThinkPad，CAE
前言
CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）由经过碳化的丙烯纤维与环氧树脂热固而成(如图1所示)，是一种典型的复合材料，具有轻密度、高比强度的特点。

在航空、交通，体育用品领域得到了广泛应用，但在民用电子产品领域应用还比较少。

对于这一新型的复合材料，通过一定的实验和模拟计算，来掌握其物理特性，并指导于产品设计是非常必要的。

本文先阐述CFRP基材物性的实验与模拟对比研究，再实验模拟整个产品在耐压下的表现，最后给出优化指导。

图1.CFRP图示
CFRP基材的实验与模拟
CAE分析中最重要的关键环节就是物性的准确输入，只有准确的输入，加上适当的求解算法与技巧，才能够输出可信且准确的分析结果，否则就是无本之木，结果也随之千差万别。

对于CFRP这种复合材料，通过实验测试其物性并通过仿真分析还原该实验数据，是不可取舍的重要一环。

考虑到该材料在笔记本产品上作为顶盖的材料，以增加顶盖的耐压性能，提高笔记本整体刚度；实验可从试样的弯曲实验出发，同时考虑到材料的各向异性，我们在加工好的笔记本顶盖上切取不同方向的一定尺寸的试样（如图2所示），进行弯曲试验（如图3所示）。

图2. CFRP试样制备图3. 弯曲试验测试
以此实验条件建立了分析模型，设定好边界条件，设定各向异性的本构来进行分析，通过试算后，选取了表1中的设定参数：
表1.
注: 由于CFRP材料的复合特性，表1中参数不具有普遍性
图4. 仿真变形云图图5. 实验与计算对比曲线
图5中的对比曲线说明，采用表1中的参数在小变形（5mm以内）吻合程度较高，超过6mm的变形后误差要较大一些，考虑到在随后的Ф25mm最大10kg的整机受压中，由CFRP 制成的笔记本顶盖不会超过5mm的变形，因此，表1中所列出的参数是在小变形范围内是适用的，由其得出的结果也将是可信的。

笔记本整机的实验与模拟
整个模型中CFRP的材料参数是未知的，但我们已经通过上面的实验进行了确定；对于其他材料的参数可由材料厂商获得，对于模组部件，如LED显示屏，复杂的电路板等，均通过压弯实验校正模型及参数，这里不再赘述。

压力实验在笔记本顶盖上选取五点（A、B、C、D、E）进行测试，该五点位置分布如图6所示，A点位笔记本顶盖的中心为位置，其它四点距A点的距离分别为50与100cm,压头直径为25mm,最大压力值为10公斤力，
图6. 压力测试示意图
图7. A点压力实验与仿真对比图8. B点压力实验与仿真对比
图9. C点压力实验与仿真对比图10. D点压力实验与仿真对比
图11. E点压力实验与仿真对比
图7至图11为五点（A、B、C、D、E）的压力实验与仿真分析曲线对比，可以发现，除B、E点最大误差为18%外，A、B、C点的仿真分析值与实验对比非常吻合。

从图6中的压力点分布看出，B、E点较A、B、C点更远离中心区域，对于靠近边缘的点来说，存在着实验误差与分析模型简化所引起误差的积累。

同时，即使存在着18%的误差，对于仿真分析这一领域来说，还是可接受的。

仿真分析与优化
通过整机的压力分析，进一步验证了CFRP材料物性参数的准确性，同时也证明了Abaqus/Standard算法在复杂的整机系统、多部件压力传递接触模拟的适用性与准确性。

基于这些可靠可信的结果，便可以开展笔记本整体刚度的分析与优化。

从优化角度来讲，存在很多的变量参数去考量，如可以从厚度、层数、碳纤维密度等方面进行优化，本文仅从CFPP的横竖排布方向（如图12所示）做一下优化验证。

图12. 横排与竖排的CFRP排布示意图
由于这种复合材料的各项异向性，同时笔记本顶盖是非完全对称的，所以在水平铺排与垂直铺排方向会有一定的差异，前面提到的基材的实验也证明了其不同，通过调换本构模型参数的E1与E2值，可以快速计算出在压力下笔记本顶盖的变形量。

在这一层面上，仿真分析较传统的打样测试节省了大量的时间与成本，充分展现了仿真分析的价值与意义。

图13为两种不同排布方式下，顶盖的抗压表现，通过分析计算发现，横排的方式较竖排的方式的抗压性能会提高12%，并将这一成果成功应用到新的产品开发中。

图13. 横排与竖排抗压对比曲线
总结与感谢
在材料参数无法获得的情况下，相关的实验是必须和必要的，实验的设定并达到自己的
目标值也是需要科学合理安排的，在此，感谢联想日本大和实验室Fusanobu Nakamura，Suzuki
San,以及联想美国罗利研发中心Dr. Joseph的指导和实验支持；所获得的成果在产品的开发中发挥了价值，同时也再次验证了Abaqus这一优秀的仿真分析软件的强大功能和计算精度。

作者简介:
元春峰---硕士，毕业于北京航空航天大学，现任联想仿真分析处高级CAE工程师，邮箱地址：*****************
辛志峰---硕士，毕业于西安交通大学，现任联想仿真分析处及结构开发处高级经理。