復(fù)合材料設(shè)計的案例
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊
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常用復(fù)合材料設(shè)計模擬軟件特點匯總
ESAComp軟件是專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計分析軟件系統(tǒng) , 最初由歐洲航天局 (ESA) 發(fā)起 , 并由芬蘭赫兒辛基大學輕型結(jié)構(gòu)材料實驗室開發(fā)完成。其目標為開發(fā)成一種可以在統(tǒng)一界面下包含所有復(fù)合材料分析和設(shè)計能力的軟件工具。ESAComp 具有基于微觀力學分析的廣泛的實體 / 夾層板分析、設(shè)計能力，而且它包含了針對單層板、層壓板、加筋板、梁和柱體，以及膠接和機械連接等等各種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)形式、連接形式的分析工具。具有同目前廣泛使用的各種有限元軟件包的交互接口，從而使 ESAComp 同設(shè)計過程實現(xiàn)了無縫結(jié)合。
ESAComp 是專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計分析工具，具有友好的圖形化用戶界面，多重分析和圖形化結(jié)果顯示，多級別的專業(yè)數(shù)據(jù)庫， 同目前廣泛使用的各種有限元軟件包的銜接能力，支持用戶定制的擴展功能。雖然該軟件起源于航空、航天領(lǐng)域，但是已經(jīng)被開發(fā)成適用于復(fù)合材料研發(fā)人員的通用工具。
VISTAGY公司開發(fā)的FiberSIM是專門用于復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計和制造的工具。在三維模擬環(huán)境中，工程師可以使用此軟件建立復(fù)合材料部件完整的數(shù)字產(chǎn)品定義。FiberSIM支持整個產(chǎn)品開發(fā)過程，還有多種材料的靈活設(shè)計方法和制造方法。該軟件可以模擬復(fù)合材料在復(fù)雜曲面上的變形，產(chǎn)生制造信息，這些信息包括文檔、平展模型和驅(qū)動下游生產(chǎn)設(shè)備所需要的數(shù)據(jù)。它支持包括手糊、模塑、預(yù)浸帶ESAComp軟件是專業(yè)的復(fù)合材料設(shè)計分析軟件系統(tǒng) , 最初由歐洲航天局 (ESA) 發(fā)起 , 并由芬蘭赫兒辛基大學輕型結(jié)構(gòu)材料實驗室開發(fā)完成。其目標為開發(fā)成一種可以在統(tǒng)一界面下包含所有復(fù)合材料分析和設(shè)計能力的軟件工具。
展開 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)
一、復(fù)合材料的定義與構(gòu)造特點
1）復(fù)合材料的定義
復(fù)合材料——由兩個或兩個以上獨立的物理相（粘結(jié)材料和顆粒、纖維或片狀材料）所組成的一種固體產(chǎn)物。
定義中說的物理相，可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的。連續(xù)相稱為基體材料；不連續(xù)相（分散相）稱為增強材料。
增強材料——起承受載荷的作用，主要提供復(fù)合材料的力學性能，其幾何形式有長纖維、短纖維和顆粒狀物等多種；
基體材料——起著粘結(jié)、支撐、保護增強材料和傳遞應(yīng)力的作用，主要提供復(fù)合材料的物理、化學性能，常采用橡膠、石墨、樹脂、金屬和陶瓷等。
2）復(fù)合材料的主要特點
1）復(fù)合材料的性能具有可設(shè)計性
2）材料和結(jié)構(gòu)具有同一性
3）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計包含材料設(shè)計
4）材料性能對復(fù)合工藝的依賴性
5）復(fù)合材料具有各向異性和非均質(zhì)性
3）復(fù)合材料的構(gòu)造特點
復(fù)合材料與其說是材料，不如說是結(jié)構(gòu)更確切。因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可分為
三個結(jié)構(gòu)層次：
單層板（一次結(jié)構(gòu)）
層合板（二次結(jié)構(gòu)）
工程結(jié)構(gòu)（三次結(jié)構(gòu)）
4）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計特點
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計也分為三個層次：
單層設(shè)計——正確選擇増強材料和基體，確定組分比。
（單層材料性能設(shè)計）
層合板設(shè)計——確定單層層數(shù)、鋪設(shè)方向和鋪設(shè)順序。
展開 Altair 在 JEC World 展會上展示針對復(fù)合材料的仿真驅(qū)動設(shè)計方法、軟件及服務(wù)解決方案
Altair 將在今年的巴黎 JEC World 展會上接待合作伙伴Componeering和 HBM nCode并展示在HyperWorks中無縫集成 Multiscale Designer
2016 年 2 月 24 日，TROY（美國密歇根州）/美通社/ -- Altair將參加 3 月 8 日至 10 日在巴黎舉行的復(fù)合材料行業(yè)最大規(guī)模的國際展會 JEC World。屆時，Altair 將展示各種面向復(fù)合材料設(shè)計和優(yōu)化的軟件與服務(wù)解決方案，以及客戶成功案例。
復(fù)合材料的應(yīng)用范圍幾乎覆蓋所有行業(yè)，因為此類材料不僅具備良好且可定制的結(jié)構(gòu)特征，而且可滿足許多種類產(chǎn)品的輕量化設(shè)計需求。但是，由于需要經(jīng)過特殊的設(shè)計和開發(fā)過程才能完全發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢，所以想要真正應(yīng)用復(fù)合材料難度不小。Altair 擁有超過 20 年的專業(yè)優(yōu)化經(jīng)驗，在業(yè)內(nèi)享有盛譽，為客戶提供面向復(fù)合材料設(shè)計與優(yōu)化的強大工具與深厚專業(yè)知識。工程師們可以在 Altair 解決方案的引導下為鋪層式和蜂窩式復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最優(yōu)材料布局，并進行優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計。
今年 Altair 展位的最大亮點將是采用 TCA Ultra Lite?和碳纖維樹脂傳遞模塑 (RTM) 復(fù)合材料的多材質(zhì)汽車行李箱蓋。這款行李箱蓋由 Continental Structural Plastics 使用 Altair 的優(yōu)化解決方案研制而成，并剛剛獲得 2016 年的 JEC 創(chuàng)新獎。展示區(qū)的“運動休閑天地”(Sport & Leisure Planet) 部分將向參觀者介紹世界最輕、最堅固的公路自行車Rolo Bike，這款自行車為碳纖維材質(zhì)，在 Altair 復(fù)合材料優(yōu)化軟件和服務(wù)的支持下打造而成。
Altair 在 2015 年 4 月收購了 MDS 的開發(fā)者 Multiscale Design Systems。
展開 
全球頂尖復(fù)合材料設(shè)計分析公司正式進入中國市場
每次提到工程設(shè)計的精妙之處，Engenuity的技術(shù)總監(jiān)Ian Coles先生臉上就會難掩興奮的表情，“有時候我們的工作讓我們覺得自己就像是一個宣講者，雖然我們知道其實我們是正兒八經(jīng)的工程師”，帶著英國人獨有的幽默他說道：“任何一個制造者都知道好的設(shè)計和精密的工程是一個好的工業(yè)產(chǎn)品得以變成現(xiàn)實的先決條件，對于充滿無限組合和可能性的復(fù)合材料更是如此，因此也更顯示了我們現(xiàn)在所做的工作的重要性”。
Engenuity有著超過25年的復(fù)合材料設(shè)計分析及產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，其主要業(yè)務(wù)范圍包括：復(fù)合材料篩選與開發(fā)，綜合材料測試與表征，有限元材料模型驗證，失效模式開發(fā)，有序和無序鋪層設(shè)計，TP&TS矩陣系統(tǒng)，固化形變表征以及汽車模擬仿真碰撞測試等多個領(lǐng)域；擁有多項發(fā)明及專利，客戶涵蓋了F1，勒芒，Supercars等幾乎所有的頂級汽車賽事以及賓利，寶馬，奔馳，捷豹路虎，尼桑等眾多國際知名汽車主機廠。據(jù)市場調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，Engenuity在復(fù)合材料標定，設(shè)計及仿真測試方面的全球市場份額約為30%，剩余的份額則由科研機構(gòu)及專業(yè)院所等占有，可以說在商業(yè)實踐應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)力拔頭籌，遙遙領(lǐng)先。
復(fù)合材料值得更多的信心
Confidence with composite是Engenuity一直致力推廣的理念之一，翻譯成中文可以理解為給予復(fù)合材料更多應(yīng)得的信心。
展開 關(guān)于復(fù)合材料設(shè)計清單
1、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ):
復(fù)合材料本身是非均質(zhì)、各向異性材料，因此，復(fù)合材料力學在經(jīng)典非均質(zhì)各向異性彈性力學基礎(chǔ)上得到迅速發(fā)展。
復(fù)合材料不僅是材料，更確切的說是結(jié)構(gòu)。
2、固體力學：一次結(jié)構(gòu)、二次結(jié)構(gòu)、三次結(jié)構(gòu)。
1）一次結(jié)構(gòu)是指由基體和增強材料復(fù)合而成的單層材料，其力學性能決定于組分材料的力學性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區(qū)的性能
2）二次結(jié)構(gòu)是指由單層材料層合而成的層合體，其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列)
3）三次結(jié)構(gòu)是指通常所說的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學性能決定于層合體的力學性能和結(jié)構(gòu)幾何。
3、復(fù)合材料的設(shè)計：
1）結(jié)構(gòu)設(shè)計：確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸；
2）鋪層設(shè)計：對鋪層材料的鋪層方案做出合理安排，決定層合板性能；
3）單層材料設(shè)計：正確選擇增強材料、基體材料及其配比，決定單層板的性能。
4、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計過程
1）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計是選用不同材料綜合各種設(shè)計（如層合板設(shè)計、典型結(jié)構(gòu)設(shè)計、連接設(shè)計等）的反復(fù)過程；
2）需考慮的一些主要因素：結(jié)構(gòu)質(zhì)量、研制成本、制造工藝、結(jié)構(gòu)鑒定、質(zhì)量控制、工裝模具的通用性、設(shè)計經(jīng)驗；
3）明確設(shè)計條件：如性能要求、載荷情況、環(huán)境條件、形狀限制等；
4）材料設(shè)計：包括原材料選擇、鋪層性能的確定、復(fù)合材料層合板的設(shè)計等；
5）結(jié)構(gòu)設(shè)計：包括復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)件（如桿、梁、板、殼等）的設(shè)計，以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（如剛架、硬殼式結(jié)構(gòu)等）的設(shè)計。
5、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計條件：
1）結(jié)構(gòu)性能要求：結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內(nèi)的安全；
提供裝置各種配件、儀器等附件的空間。
展開 聚氨酯復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析
?但混凝土屬于脆性材料，抗拉強度低，使電桿的抗彎、抗震性能和抗沖擊性能差，在臺風作用時，極易損壞，造成經(jīng)濟損失和人員傷害，也造成了供電中斷與電力維修困難。
?混凝土結(jié)構(gòu)重量大，運輸與安裝也不方便。
2.聚氨酯樹脂的特點
?聚氨酯（PU）的分子結(jié)構(gòu)中含有氨基甲酸酯基團（—NH—COO—），擁有良好的力學性能（輕質(zhì)高強高模量，斷裂延伸率大，耐沖擊），優(yōu)異的耐酸堿、紫外線和大氣老化性能；成型方便、環(huán)保（無苯乙烯揮發(fā)）。
?纖維纏繞聚氨酯復(fù)合材料電桿的優(yōu)越性能：
（1）質(zhì)量輕，容易運輸、搬運和安裝；
（2）彎曲強度大，斷裂延伸率大，抵抗臺風等的彎曲應(yīng)力；絕緣性能好；
（3）耐候性能好，抵抗風吹日曬等惡劣環(huán)境。
二、聚氨酯復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1. 復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計特點：材料結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化。
（1）性能設(shè)計：充分考慮最終產(chǎn)品的使用目的和使用條件，使設(shè)計出復(fù)合材料產(chǎn)品與設(shè)計要求相同。
（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計：強度、剛度與穩(wěn)定性計算。根據(jù)所承受的載荷及使用環(huán)境，設(shè)計出確保材料安全可靠經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)尺寸。是選用不同材料，結(jié)合工藝，在各種載荷組合工況下的力學計算與鋪層的反復(fù)過程。
（3）工藝設(shè)計：應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)成型方便、成本低廉。
這三者相互關(guān)聯(lián)，不能截然分開。結(jié)構(gòu)設(shè)計包含了材料設(shè)計的所有內(nèi)容，是復(fù)合材料產(chǎn)品合理設(shè)計和降低成本的關(guān)鍵。
2. 復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點與必要性
（1）雖然電桿的幾何形狀簡單，但和所有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一樣，材料為各向異性材料，極具可設(shè)計性。
（2）電桿具有較大的錐度：1/75；纏繞工藝和等直桿不同，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計中不同截面的材料參數(shù)和幾何參數(shù)不同。事實上，工藝參數(shù)的不同，導致材料的力學性能不同，也導致結(jié)構(gòu)力學行為的迥異。
展開 一文搞懂ANSYS_ACP復(fù)雜實體模型復(fù)合材料纏繞鋪層設(shè)計（Ⅳ型儲氫罐高精度建模及壓力作用分析） ￥99.66
ANSYS ACP是一款專用的復(fù)合材料前后處理工具，在前處理鋪層信息定義和后處理結(jié)果查看環(huán)節(jié)中都有著簡潔高效和人性化的設(shè)置操作，但限于儲氫罐的幾何模型復(fù)雜、鋪層角度多變、圓頂處不規(guī)則加厚等特點，其實體模型的復(fù)材纏繞鋪層設(shè)置較有難度，本文旨在基于ANSYS Workbench平臺建立等比例、高精度的Ⅳ型儲氫罐復(fù)合材料實體模型，并將其與Static Structural聯(lián)合使用以分析其在60MPa壓力作用下的變形、應(yīng)力、應(yīng)變等信息。其中詳述了ANSYS ACP在復(fù)合材料鋪層設(shè)計中的操作流程及變角度、變厚度、實體貼合碳纖維鋪層等內(nèi)容，為Step by Step可復(fù)現(xiàn)教程文檔，借助此過程可掌握復(fù)雜實體模型的復(fù)材鋪層設(shè)計技術(shù)，另外本文所采用的儲氫罐模型來源于真實Ⅳ型儲氫罐模型，亦可為儲氫罐設(shè)計應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
付費文件包含完整仿真流程文件一套、所使用的全部幾何文件和軟件逐步操作教程文檔一個。教程文檔十分詳細，共計51頁、7000余字，用戶可根據(jù)教程文檔進行學習以及逐步操作實現(xiàn)對Ⅳ型儲氫罐碳纖維復(fù)合材料的鋪層設(shè)計與仿真。
文檔教程收獲：
掌握ACP變角度、變厚度的復(fù)雜形狀實體復(fù)合材料纏繞鋪層設(shè)計技術(shù)。
學會ACP軟件厚度增強、鋪層修剪、沿指定路徑擠出、鋪層貼合實體等技能。
熟練掌握IV型儲氫罐的等比例、高精度復(fù)合材料設(shè)計建模技術(shù)，為儲氫罐設(shè)計應(yīng)用奠定工程技術(shù)基礎(chǔ)。
展開 研討會 | NX應(yīng)用于增材制造、復(fù)合材料、機械協(xié)同設(shè)計
誰應(yīng)該參加此次活動：
國防行業(yè)客戶研發(fā)及設(shè)計人員：復(fù)合材料設(shè)計、增材設(shè)計、增材制造、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品研發(fā)
信息化與數(shù)字化開發(fā)人員
企業(yè)數(shù)字化建設(shè)管理人員
NX作為西門子數(shù)字化工業(yè)軟件的主要產(chǎn)品，在國防行業(yè)中具有廣泛的客戶群體，在航空航天、軍電、兵器、船舶等行業(yè)客戶的產(chǎn)品設(shè)計及研發(fā)中發(fā)揮著重要作用。隨著用戶對NX軟件的了解和深入應(yīng)用，以及國防行業(yè)對新技術(shù)及前言技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，我們將結(jié)合NX對當前新技術(shù)的支持與發(fā)展方面，通過本次網(wǎng)絡(luò)研討會的方式，向客戶展示我們在這些新技術(shù)方面的進展和應(yīng)用情況。
通過本次研討會，您將了解到：
NX在復(fù)合材料設(shè)計及應(yīng)用方面的解決方案以及成功案例；
NX在不同軟件間的協(xié)同設(shè)計解決方案；
以及基于我們最新發(fā)布的NX2206版本的在增材制造解決方案方面功能的增強和更新等。
我們誠摯地邀請您參加本次線上研討會，共同探討NX在國防行業(yè)先進技術(shù)及未來發(fā)展方向。
西門子Xcelerator，為您數(shù)字化轉(zhuǎn)型提速！
活動信息
時間：2022年7月21日（星期四）14:30-16:10
地點：線上會議
點擊鏈接 報名注冊
https://events.siemens.com.cn/disw/we/ad001/?pk_source=jishu
內(nèi)容安排
No.
展開 基于復(fù)合材料的汽車輕量化設(shè)計技術(shù)
在汽車研發(fā)的領(lǐng)域，輕量化設(shè)計早已成為整車產(chǎn)品開發(fā)的主要潮流。輕量化設(shè)計，意味著更少的材料使用，更輕的車身重量，更少的CO2排放。歸功于使用輕量化設(shè)計技術(shù)獲得的新一代車身，汽車成本效率得到了大幅度的提升，同時車輛的可操控性也顯著增強。通常，在這一領(lǐng)域，新材料的應(yīng)用是創(chuàng)新設(shè)計的主要源泉。近些年來，使用鋁制零部件取代傳統(tǒng)的鋼制零部件，為汽車企業(yè)節(jié)約了大量的材料。但是尋找質(zhì)量更輕，性能更好的材料的研究始終沒有停止。在最新的研究成果中，復(fù)合材料已經(jīng)在汽車零部件輕量化設(shè)計中嶄露頭角。但是直到最近，復(fù)合材料的應(yīng)用仍然局限于汽車的非承重零部件和非安全相關(guān)零部件。今天，越來越多的汽車廠商開始對復(fù)合材料在承重零部件上的應(yīng)用的可行性進行探索。因為復(fù)合材料的固有特性與金屬材料有很大不同，因此需要一套全新的產(chǎn)品開發(fā)流程。大眾汽車研究中心近期開展了一項研究，其核心目標是在傳統(tǒng)的B-柱設(shè)計中引入復(fù)合材料材質(zhì)，以期在合理的制造成本內(nèi)，獲得質(zhì)量更輕，性能更好的B-柱設(shè)計方案。這個項目是與Altair公司產(chǎn)品咨詢團隊（Altair ProductDesign）合作并運用HyperWorks軟件完成的。
解決方案
大眾汽車對復(fù)合材料在汽車承重零部件中的應(yīng)用起始于某鋁制B-柱結(jié)構(gòu)。該部件使用額外的鋼制及鋁制零部件進行了加強。大眾汽車和Altair ProductDesign的工程師對在該零部件上使用復(fù)合材料替代鋁材料以獲得質(zhì)量更輕的設(shè)計方案展開了研究。為了對比驗證新的設(shè)計方案與原有方案在質(zhì)量及性能上的差別，工程師選擇了一款已有的B-柱零部件（Audi A8,D3）作為基礎(chǔ)設(shè)計。對于所選定的模型，工程師們基于其工程經(jīng)驗、產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)以及CAD數(shù)據(jù)，作為其新產(chǎn)品設(shè)計的依據(jù)。
展開 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計知識共享系列之二復(fù)合材料沖擊損傷的來龍去脈
在發(fā)表的文獻中給出了當時波音民用飛機使用的復(fù)合材料體系T300/5208的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線（見圖1），其門檻值大約為2800με。
圖1 翼面結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣壓縮下沖擊破壞曲線
國內(nèi)從1985年開始沖擊損傷的研究，在中國飛機強度所建立了壓縮下沖擊的試驗設(shè)備及開展了相關(guān)的理論和試驗研究。這項研究在航空用復(fù)合材料體系的研發(fā)和復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計和試驗驗證中得到應(yīng)用。1980年代國內(nèi)開始軍機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研制，當時首先遇到的問題是沒有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計知識，特別是當時作為設(shè)計入門的國外某公司《復(fù)合材料設(shè)計手冊》中給出一組設(shè)計用材料數(shù)據(jù)（見圖2），從文獻可知，其所用材料體系是T300/5208。通常金屬結(jié)構(gòu)極限載荷與限制載荷相差1.5倍，結(jié)構(gòu)在極限載荷下的設(shè)計許用值一般采用材料的極限強度，因此限制載荷下使用的材料性能應(yīng)是極限強度除以1.5，這組數(shù)據(jù)背離了人們的常識。當時國內(nèi)軍機采用T300碳纖維，但使用國內(nèi)研制的樹脂，其設(shè)計值該如何確定成了航空復(fù)合材料界的難題，航空界進行了研究和向國外專家咨詢，但始終沒有解決（關(guān)于許用值與設(shè)計值將在另文討論），但在該文件中指出了壓縮限制應(yīng)變的確定與沖擊損傷有關(guān)。在此背景下，當年作者提出了確定設(shè)計值的一種工程方法：鑒于設(shè)計值與沖擊損傷有關(guān)，且國外該公司所用的材料體系是T300/5208，而文獻中提供了該材料體系典型結(jié)構(gòu)鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線的門檻值為2800με，只要將國內(nèi)軍機所用材料同樣結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線門檻值與其進行比較，即可確定國內(nèi)軍機所用材料體系的壓縮設(shè)計值。在設(shè)計經(jīng)驗比較缺乏的1990年代，根據(jù)作者提出的這種確定壓縮設(shè)計值的簡便方法，解決了軍機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制中遇到的一系列問題。
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【技術(shù)】復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計知識共享系列（一）
【技術(shù)】復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計知識共享系列（一）
1、引言
作者最近寫了一些文章，闡述了對國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路的一些觀點，國產(chǎn)碳纖維實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵是用國產(chǎn)碳纖維開發(fā)出“買得起的復(fù)合材料制品”，而開發(fā)“買得起的復(fù)合材料制品”的過程中“設(shè)計是主導，材料是基礎(chǔ)，制造是關(guān)鍵，應(yīng)用是目的”。縱觀國際復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域幾十年的發(fā)展，無疑航空航天領(lǐng)域積累了最多的經(jīng)驗教訓，被稱為“復(fù)合材料圣經(jīng)”的CMH-17《復(fù)合材料手冊》主要是航空航天領(lǐng)域研究和應(yīng)用復(fù)合材料40多年的經(jīng)驗教訓，其他領(lǐng)域的高端應(yīng)用無不顯現(xiàn)航空航天的痕跡，例如從風電葉片的設(shè)計中可以看到直升機旋翼槳葉的設(shè)計理念。目前復(fù)合材料應(yīng)用方興正艾的交通運輸車輛結(jié)構(gòu)與航空航天結(jié)構(gòu)類似，都屬于受力復(fù)雜的桿板殼結(jié)構(gòu)，因此順理成章地交通運輸車輛結(jié)構(gòu)的設(shè)計理應(yīng)繼承航空航天領(lǐng)域復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗教訓。作者在飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域馳騁了30多年，對飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計積累了一些經(jīng)驗和教訓，希望能把這些體會寫出來與碳纖維復(fù)合材料界同人共享。
飛機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，在確定結(jié)構(gòu)布局和生產(chǎn)工藝后，首先面臨著選材的任務(wù)，本文試圖從飛機結(jié)構(gòu)完整性要求出發(fā)，在滿足工藝需求和材料工作極限（MOL，對環(huán)氧樹脂MOL=濕態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg-28℃）的前提下，闡述飛機結(jié)構(gòu)對碳纖維復(fù)合材料的力學性能要求。
2、 飛機結(jié)構(gòu)完整性要求
2.1 復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的特點
飛機結(jié)構(gòu)完整性的定義是：影響飛機安全使用和成本費用的機體結(jié)構(gòu)的強度、剛度、損傷容限、耐久性和功能的總稱。”因此對飛機結(jié)構(gòu)用材料體系的要求就必須滿足這些要求。
展開 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計知識共享系列之二復(fù)合材料沖擊損傷的來龍去脈
在發(fā)表的文獻中給出了當時波音民用飛機使用的復(fù)合材料體系T300/5208的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線（見圖1），其門檻值大約為2800με。
圖1 翼面結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣壓縮下沖擊破壞曲線
國內(nèi)從1985年開始沖擊損傷的研究，在中國飛機強度所建立了壓縮下沖擊的試驗設(shè)備及開展了相關(guān)的理論和試驗研究。這項研究在航空用復(fù)合材料體系的研發(fā)和復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計和試驗驗證中得到應(yīng)用。1980年代國內(nèi)開始軍機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研制，當時首先遇到的問題是沒有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計知識，特別是當時作為設(shè)計入門的國外某公司《復(fù)合材料設(shè)計手冊》中給出一組設(shè)計用材料數(shù)據(jù)（見圖2），從文獻可知，其所用材料體系是T300/5208。通常金屬結(jié)構(gòu)極限載荷與限制載荷相差1.5倍，結(jié)構(gòu)在極限載荷下的設(shè)計許用值一般采用材料的極限強度，因此限制載荷下使用的材料性能應(yīng)是極限強度除以1.5，這組數(shù)據(jù)背離了人們的常識。當時國內(nèi)軍機采用T300碳纖維，但使用國內(nèi)研制的樹脂，其設(shè)計值該如何確定成了航空復(fù)合材料界的難題，航空界進行了研究和向國外專家咨詢，但始終沒有解決（關(guān)于許用值與設(shè)計值將在另文討論），但在該文件中指出了壓縮限制應(yīng)變的確定與沖擊損傷有關(guān)。在此背景下，當年作者提出了確定設(shè)計值的一種工程方法：鑒于設(shè)計值與沖擊損傷有關(guān)，且國外該公司所用的材料體系是T300/5208，而文獻中提供了該材料體系典型結(jié)構(gòu)鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線的門檻值為2800με，只要將國內(nèi)軍機所用材料同樣結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應(yīng)變曲線門檻值與其進行比較，即可確定國內(nèi)軍機所用材料體系的壓縮設(shè)計值。在設(shè)計經(jīng)驗比較缺乏的1990年代，根據(jù)作者提出的這種確定壓縮設(shè)計值的簡便方法，解決了軍機復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制中遇到的一系列問題。
展開 碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
前些時候跟英國TWI的專家交流，探討了用碳纖維復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料，尤其在制造重要的結(jié)構(gòu)部件中的思路。發(fā)現(xiàn)需要考慮的因素太多，以致無法確定主次先后。今天就列一個清單，細數(shù)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計要點。
內(nèi)容所有涉及的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一般是指碳纖維預(yù)浸料鋪層結(jié)構(gòu)。
強度與剛度
既然是結(jié)構(gòu)部件，那么設(shè)計者首先要考慮的是強度和剛度。部件在外力載荷的作用下，有抵抗變形與破壞的能力，但是這個能力又是有限度的。
如何確定部件的使用載荷，不會超出部件的能力極限，是通過材料力學計算得出。而部件的這個能力極限，就是碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計者需要考慮的問題。
通過合理的搭配纖維和樹脂，優(yōu)化纖維排布，用最少的材料，滿足設(shè)計需求，體現(xiàn)了復(fù)合材料設(shè)計者精湛的技巧。不過決定復(fù)合材料強度與剛度的因素，不但與纖維和樹脂的種類有關(guān)，還與碳纖維的鋪層方向以及層與層之間結(jié)合搭配有關(guān)。
所以，設(shè)計者在設(shè)計碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件時，需要考慮三個層級結(jié)構(gòu)的力學性能。
由基體和增強材料復(fù)合而成的單層材料，其力學性能決定于組分材料的力學性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區(qū)的性能。
由單層材料層合而成的層合體，其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列) 。
最頂層結(jié)構(gòu)是指通常所說的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學性能決定于層合體的力學性能和結(jié)構(gòu)幾何。
穩(wěn)定性
除了強度與剛度要求，設(shè)計者還需考慮復(fù)合材料部件的失穩(wěn)，尤其是對一些細長桿結(jié)構(gòu)，在受壓時，應(yīng)該能夠保證其原有的直線平衡狀態(tài)。對于一些框架結(jié)構(gòu)部件，如果鋪層不均勻，也會產(chǎn)生翹曲失穩(wěn)，所以在制造過程中尤其注意。最好采用對稱鋪層，以防變形不均勻。
展開 碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計要點
強度與剛度
既然是結(jié)構(gòu)部件，那么設(shè)計者首先要考慮的是強度和剛度。部件在外力載荷的作用下，有抵抗變形與破壞的能力，但是這個能力又是有限度的。
如何確定部件的使用載荷，不會超出部件的能力極限，是通過材料力學計算得出。而部件的這個能力極限，就是碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計者需要考慮的問題。
通過合理的搭配纖維和樹脂，優(yōu)化纖維排布，用最少的材料，滿足設(shè)計需求，體現(xiàn)了復(fù)合材料設(shè)計者精湛的技巧。不過決定復(fù)合材料強度與剛度的因素，不但與纖維和樹脂的種類有關(guān)，還與碳纖維的鋪層方向以及層與層之間結(jié)合搭配有關(guān)。
所以，設(shè)計者在設(shè)計碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件時，需要考慮三個層級結(jié)構(gòu)的力學性能。
由基體和增強材料復(fù)合而成的單層材料，其力學性能決定于組分材料的力學性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區(qū)的性能。
由單層材料層合而成的層合體，其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列) 。
最頂層結(jié)構(gòu)是指通常所說的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學性能決定于層合體的力學性能和結(jié)構(gòu)幾何。
穩(wěn)定性
除了強度與剛度要求，設(shè)計者還需考慮復(fù)合材料部件的失穩(wěn)，尤其是對一些細長桿結(jié)構(gòu)，在受壓時，應(yīng)該能夠保證其原有的直線平衡狀態(tài)。對于一些框架結(jié)構(gòu)部件，如果鋪層不均勻，也會產(chǎn)生翹曲失穩(wěn)，所以在制造過程中尤其注意。最好采用對稱鋪層，以防變形不均勻。
一般情況下，在部件沒有達到極限載荷之下，不允許產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。但是如果對于一些特殊要求，可以產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，那么設(shè)計過程中，要考慮失穩(wěn)過程不會因此影響極限載荷。
鋪層結(jié)構(gòu)
鋪層結(jié)構(gòu)是碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，如何把單層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能傳遞到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件上，鋪層結(jié)構(gòu)起到承上啟下的作用。
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