[发明专利]一种新型碳纤维卡具及其设计方法

权利要求书

1.一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，所述碳纤维卡具采用1000KV输电线路用的300kN闭式卡具，所述300kN闭式卡具采用碳纤维制成；所述300kN闭式卡具的厚度为60mm，所述300kN闭式卡具的破坏荷载为950MPa；

所述设计方法包括如下步骤：

步骤SS1：对所述闭式卡具进行受力分析，将所述闭式卡具等效为受3点力的简支梁；

步骤SS2：设定碳纤维复合材料的铺层顺序和铺层数的优化设计条件；所述步骤SS2中的所述碳纤维复合材料的铺层顺序和铺层数的优化设计条件为：

条件1：采用0°、±45°、90°的标准铺层；

条件2：取向相同的铺层叠置不能超过2层以上；

条件3：0°、±45°、90°的四种铺层中每一种至少要占10％；

条件4：避免采用90°的层组，此时荷载方向为0°时，用0°或±45°层隔开；

条件5：弯曲刚度系数D₁₆，D₂₆不大于10^-6N.m；

所述条件3具体还包括：其中0°铺层20～40％之间，±45°铺层40～60％之间，90°铺层10～30％之间；

步骤SS3：根据所述步骤SS2的优化设计条件结合所述步骤SS1的简支梁的受力分析、所述闭式卡具的厚度要求，优化设计出碳纤维复合材料的铺层结构为：

[45/-45/-45/45/-45/90/-45/90/0/90/0/45/0/90/0/45/-45/-45/45/-45/90/-45/90/0/90/0/45/0/90/0]_5S；

步骤SS4：根据复合材料层合板理论公式结合Tsai-Wu张量理论式公式计算得到所述步骤SS3中的铺层结构的破坏强度，并与所述300kN闭式卡具的破坏强度950MPa进行比较，若铺层结构的破坏强度大于等于950MPa，则判定满足强度要求。

2.根据权利要求1所述的一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料材质选择为T300/5405。

3.根据权利要求1所述的一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料的单层厚度为0.2mm。

4.根据权利要求1所述的一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，所述步骤SS4具体包括：

复合材料层合板理论公式为：

式中σ₁、σ₂、τ₁₂为碳纤维层合板的k层碳纤维的应力与剪切力；T为坐标转换矩阵，T的表达式为

θ为铺层角度；为第k层的工程弹性系数矩阵，的表达式为：

其中，

Q₆₆＝G₁₂，υ₁₂＝υ₂₁；

即，铺层结构的面内刚度系数为：铺层结构的弯曲刚度系数为：

Z为某一层的厚度，N表示破坏荷载；

所述Tsai-Wu张量理论式公式为：

其中：

F₆＝F₁₆＝F₂₆＝0,

X_t为主方向1方向抗拉强度，X_c为主方向1方向抗压强度，Y_t为主方向2方向抗拉强度，Y_c为主方向2方向抗压强度，S为主方向上的抗剪切强度；

根据复合材料层合板理论公式结合Tsai-Wu张量理论式公式计算得到所述步骤SS3中的铺层结构的破坏强度。

5.根据权利要求1所述的一种新型碳纤维卡具的设计方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料的力学参数为：E₁＝148000MPa，E₂＝8600MPa，G₁₂＝4380MPa，υ₁₂＝0.285。