本文介绍了一项关于超轻量化碳纤维增强聚合物（CFRP）梁弦结构的设计、优化、制造和测试研究。该研究由Jianhua Zhang、Peizhao Zhou、Chengyu Guan、Tianqiao Liu、Won-Hee Kang、Peng Feng和Shuoqi Gao共同完成，分别来自哈尔滨工程大学、清华大学、北京理工大学和西悉尼大学。研究成果发表于2021年的《Composite Structures》期刊，题为“An ultra-lightweight CFRP beam-string structure”。
研究背景与目的
随着现代工程对结构效率（即轻量化与高承载能力的结合）的需求日益增加，纤维增强聚合物（FRP）复合材料在土木工程中的应用逐渐增多。CFRP（碳纤维增强聚合物）因其高强度、高刚度、轻质以及优异的耐腐蚀性能，成为FRP材料中的佼佼者。然而，CFRP的高成本限制了其大规模应用。因此，如何通过结构优化最大化CFRP的优势，成为研究的重点。
本研究旨在设计一种超轻量化的CFRP梁弦结构（Beam String Structure, BSS），并通过优化设计、制造和实验测试，验证其结构效率。梁弦结构是一种自平衡的空间结构，能够跨越较长的距离，主要由受压梁和受拉弦组成。通过结合CFRP材料的高性能与梁弦结构的先进形式，研究团队希望实现一种具有极高结构效率的新型结构。
研究方法与流程
研究分为以下几个主要步骤：
设计与优化：
- 使用ANSYS APDL软件对CFRP梁弦结构进行优化设计。优化的目标是找到在满足设计荷载条件下重量最轻的结构几何形状。优化过程中考虑了强度极限状态和稳定性极限状态，分别通过Hashin损伤准则和特征值屈曲分析进行评估。
- 优化参数包括压缩梁、横向支撑、垂直支柱和张力弦的几何尺寸、CFRP层厚度和角度等。最终确定了各部分的优化几何尺寸，并确保结构在强度极限状态下不发生屈曲。
材料与制造：
- 结构采用CFRP预浸料和PMI泡沫制造。CFRP预浸料由连云港神鹰碳纤维自行车有限公司提供，PMI泡沫由Evonic Industries提供。压缩梁、横向支撑和垂直支柱内部填充PMI泡沫以增强局部屈曲强度，张力弦则由CFRP层压板组成。
- 制造过程包括材料切割、成型、热固化、脱模和组装。最终结构通过手工制造完成，并使用0.5毫米厚的单向CFRP层和环氧树脂粘合剂进行连接。
实验测试：
- 对设计的CFRP梁弦结构进行了四点弯曲试验，以研究其弯曲行为。试验结果显示，结构在达到连接处的强度极限状态时失效，未观察到局部或整体屈曲。结构的极限荷载为11,700 N，结构效率（承载比）达到56 N/g，表现出极高的结构效率。
有限元分析：
- 使用Abaqus软件进行有限元分析，验证实验结果并研究张力弦中预应力对结构行为的影响。分析表明，适当的预应力可以显著提高结构的弯曲强度。例如，对于0.7毫米厚的张力弦，5%的预应力可以使弯曲强度提高15%。此外，增加张力弦的厚度也可以显著提高结构的刚度。
主要结果与结论
结构效率：
- 通过优化设计，CFRP梁弦结构实现了56 N/g的极高结构效率，证明了CFRP材料与梁弦结构结合的有效性。
预应力的影响：
- 预应力对结构的弯曲强度有显著影响。适当的预应力可以改善压缩梁的应力分布，从而提高结构的承载能力。例如，0.7毫米厚的张力弦在5%预应力下，弯曲强度提高了15%。
结构优化：
- 通过优化几何形状和预应力水平，研究团队成功避免了结构的屈曲失效，并实现了最高的结构效率。
研究的意义与价值
本研究展示了CFRP材料与梁弦结构结合的潜力，为未来在需要高结构效率的工程应用中提供了新的设计思路。通过优化设计和预应力技术的应用，CFRP梁弦结构在轻量化和高承载能力方面表现出色，具有广泛的应用前景，特别是在大跨度结构和极端环境下的工程中。
研究亮点
创新性：
- 本研究首次设计并测试了全CFRP梁弦结构，展示了其在轻量化和高承载能力方面的优势。
优化方法：
- 通过ANSYS APDL进行结构优化，确保了结构在满足强度要求的同时达到最轻重量。
实验验证：
- 通过四点弯曲试验和有限元分析，验证了设计的有效性和结构的优异性能。
未来研究方向
研究团队计划进一步探索由弯曲拉挤GFRP（玻璃纤维增强聚合物）拱梁与CFRP张力弦组成的梁弦结构的性能，以进一步拓宽FRP复合材料在工程中的应用范围。
本研究为CFRP材料在土木工程中的应用提供了新的思路，展示了其在轻量化和高承载能力方面的巨大潜力。