3D打印碳纤维增强复合材料的超声疲劳分析

摘要整理

复合材料3D打印技术的发展革新了增材制造领域。该技术可制造出强度超过所用聚合物极限的各类产品。然而，尽管3D打印碳纤维增强复合材料（CFRP）零件具有优异性能，但其耐久性研究严重不足，限制了其在工业应用中的推广。本研究对3D打印CFRP材料进行了超声疲劳测试，以评估其疲劳性能。由于CFRP的各向异性特征，材料强度随碳纤维取向角变化而变化，耐久性也随之变化。因此，针对0°和90°单向及双向混合的三种试样进行了实验研究。超声疲劳测试需要根据材料的共振频率和动弹性模量设计特殊形状的试样。基于不同纤维取向角下材料物理性能的测量数据设计试样，并通过有限元法（FEM）模态分析进行验证，通过实际实验估算疲劳寿命。结合实测疲劳试验结果和推导的各向异性性能，利用FEM疲劳分析模拟疲劳失效寿命。利用CFRP 3D打印可调整纤维排列的优势，制备了同心圆纹理试样，推导其疲劳寿命并计算实际寿命改进效果。研究结果表明，通过调整纤维排列方式可优化CFRP零件的比刚度。本研究成果有助于深入分析3D打印CFRP材料的疲劳特性，为工程应用提供技术支撑。

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