結(jié)構(gòu)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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復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)
（鋪層設(shè)計，或?qū)雍习逍阅?em>設(shè)計）
結(jié)構(gòu)設(shè)計——根據(jù)結(jié)構(gòu)安全性計算分析確定結(jié)構(gòu)尺寸和壁厚
二、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法
1）復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計過程
2）復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計的內(nèi)容
◆性能（材料）設(shè)計
根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求和使用條件，對組分材料進(jìn)行選擇、對復(fù)合材料的性能（包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等）進(jìn)行設(shè)計。具體的內(nèi)容包括增強(qiáng)材料、基體材料、功能輔助材料的選擇；組分比設(shè)計；鋪層設(shè)計等。（一次結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu)設(shè)計）
◆結(jié)構(gòu)設(shè)計（三次結(jié)構(gòu)設(shè)計）
根據(jù)載荷、介質(zhì)、環(huán)境條件，結(jié)合工藝與材料性能，通過計算分析與強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性校核，設(shè)計出不使產(chǎn)品發(fā)生破壞和過大變形的產(chǎn)品尺寸，既確保安全，又減少材料消耗。
◆工藝設(shè)計
針對產(chǎn)品的特點(diǎn)、性能要求和數(shù)量，選擇合適的成型工藝方法，使該產(chǎn)品不僅成型方便、質(zhì)量穩(wěn)定，而且成本較低。
在產(chǎn)品設(shè)計過程中，以上三個方面相互關(guān)聯(lián)，是一個有機(jī)的整體，必須同時進(jìn)行。在材料設(shè)計時要考慮到其工藝性，結(jié)構(gòu)設(shè)計中包含了材料設(shè)計，材料與結(jié)構(gòu)往往在同一工藝過程中一次成型。
3）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基本方法
A）結(jié)構(gòu)計算方法
◆解析法（按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計）
考慮到材料的各向異性，通過適當(dāng)?shù)暮喕捎?em>材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、板殼力學(xué)的方法，或者完全復(fù)合材料力學(xué)方法，計算結(jié)構(gòu)的受力與變形情況，從而確定結(jié)構(gòu)的壁厚尺寸。
該方法簡便，易被工程界所接受。目前一些標(biāo)準(zhǔn)化的復(fù)合材料產(chǎn)品，其設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都是采用這種方法。但是，對于有些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品或異形結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，很難對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計算分析。
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(qiáng)度低，使電桿的抗彎、抗震性能和抗沖擊性能差，在臺風(fēng)作用時，極易損壞，造成經(jīng)濟(jì)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(yùn)輸與安裝也不方便。
2.聚氨酯樹脂的特點(diǎn)
?聚氨酯（PU）的分子結(jié)構(gòu)中含有氨基甲酸酯基團(tuán)（—NH—COO—），擁有良好的力學(xué)性能（輕質(zhì)高強(qiáng)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(yùn)輸、搬運(yùn)和安裝；
（2）彎曲強(qiáng)度大，斷裂延伸率大，抵抗臺風(fēng)等的彎曲應(yīng)力；絕緣性能好；
（3）耐候性能好，抵抗風(fēng)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(diǎn)：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(qiáng)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(jì)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(xué)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(diǎn)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(shí)上，工藝參數(shù)的不同，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能不同，也導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的迥異。
展開 【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(diǎn)，國產(chǎn)碳纖維實(shí)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(dǎo)，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(yàn)教訓(xùn)，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(yàn)教訓(xùn)，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(fēng)電葉片的設(shè)計中可以看到直升機(jī)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(yùn)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(yùn)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(yàn)教訓(xùn)。作者在飛機(jī)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(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計積累了一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，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(jī)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)對碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能要求。
2、 飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性要求
2.1 復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的特點(diǎn)
飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性的定義是：影響飛機(jī)安全使用和成本費(fèi)用的機(jī)體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、損傷容限、耐久性和功能的總稱。”因此對飛機(jī)結(jié)構(gòu)用材料體系的要求就必須滿足這些要求。
展開 
碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)
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(xì)數(shù)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計要點(diǎn)。
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(qiáng)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(qiáng)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(xué)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(qiáng)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(xué)性能。
由基體和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層材料，其力學(xué)性能決定于組分材料的力學(xué)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(xué)性能決定于單層材料的力學(xué)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(xué)性能決定于層合體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)幾何。
穩(wěn)定性
除了強(qiáng)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(xì)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 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(xiàn)中給出了當(dāng)時波音民用飛機(jī)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(jī)強(qiáng)度所建立了壓縮下沖擊的試驗(yàn)設(shè)備及開展了相關(guān)的理論和試驗(yàn)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(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計和試驗(yàn)驗(yàn)證中得到應(yīng)用。1980年代國內(nèi)開始軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研制，當(dāng)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(dāng)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(xiàn)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(qiáng)度，因此限制載荷下使用的材料性能應(yīng)是極限強(qiáng)度除以1.5，這組數(shù)據(jù)背離了人們的常識。當(dāng)時國內(nèi)軍機(jī)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(jìn)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(dāng)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(xiàn)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(jī)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(jìn)行比較，即可確定國內(nèi)軍機(jī)所用材料體系的壓縮設(shè)計值。在設(shè)計經(jīng)驗(yàn)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(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)研制中遇到的一系列問題。
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(xiàn)中給出了當(dāng)時波音民用飛機(jī)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(jī)強(qiáng)度所建立了壓縮下沖擊的試驗(yàn)設(shè)備及開展了相關(guān)的理論和試驗(yàn)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(jī)結(jié)構(gòu)的損傷容限設(shè)計和試驗(yàn)驗(yàn)證中得到應(yīng)用。1980年代國內(nèi)開始軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研制，當(dāng)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(dāng)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(xiàn)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(qiáng)度，因此限制載荷下使用的材料性能應(yīng)是極限強(qiáng)度除以1.5，這組數(shù)據(jù)背離了人們的常識。當(dāng)時國內(nèi)軍機(jī)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(jìn)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(dāng)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(xiàn)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(jī)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(jìn)行比較，即可確定國內(nèi)軍機(jī)所用材料體系的壓縮設(shè)計值。在設(shè)計經(jīng)驗(yàn)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(jī)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(diǎn)
強(qiáng)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(qiáng)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(xué)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(qiáng)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(xué)性能。
由基體和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層材料，其力學(xué)性能決定于組分材料的力學(xué)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(xué)性能決定于單層材料的力學(xué)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(xué)性能決定于層合體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)幾何。
穩(wěn)定性
除了強(qiáng)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(xì)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(dá)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。
展開 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中的毯式曲線？
【聲明】原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)自“復(fù)合材料力學(xué)”微信公眾號
在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中，毯式曲線是一種常用的設(shè)計分析手段，它可以清晰地表征層合板在不同鋪層比例下的等效彈性常數(shù)及強(qiáng)度屬性。
毯式曲線是采用二維圖表征兩個或多個獨(dú)立變量與一個或多個非獨(dú)立變量之間相互作用關(guān)系的圖。毯式曲線具有良好的可讀性，另外還可以用于準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)插值。傳統(tǒng)的毯式曲線可以表征多達(dá)三個獨(dú)立變量和三個非獨(dú)立變量的相互作用。
毯式曲線在材料科學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如在復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可通過毯式曲線表征不同鋪層組合下的層壓板等效彈性常數(shù)。
一種常見的毯式曲線是兩個獨(dú)立變量與一個非獨(dú)立變量模式，以下圖為例，A和B為兩個獨(dú)立的變量，且A和B均有各自的取值范圍，X軸為虛坐標(biāo)軸，無物理意義，Y軸為因變量，且有Y=f(A,B) 。
三變量毯式曲線
該類二維曲線圖可以由三維曲面圖來替代。
三維曲面圖
另一種常見的毯式曲線是兩個獨(dú)立變量與兩個非獨(dú)立變量模式，如下圖所示。A和B為兩個獨(dú)立的變量，且A和B均有各自的取值范圍，X和Y均為A和B的函數(shù)，且
該類毯式曲線圖無法用三維曲面圖來替代。
四變量毯式曲線
在復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)設(shè)計中，毯式曲線采用的是四變量毯式曲線，它可以清晰直觀地表征不同鋪層比例下層壓板的剛度或強(qiáng)度屬性。
以最常見的π/4鋪層組合為例，0°層、90°層以及±45°層的總百分比是100%，一般假設(shè)45°層與-45°層比例相等，故±45°層比例可以看作是一個獨(dú)立變量A，另外，可以將0°層（或者90°層）比例看作是另一個獨(dú)立變量B，則剩下的90°層（或者0°層）鋪層比例即為第一個非獨(dú)立變量X，且X=1-A-B。
展開 利用OptiStruct進(jìn)“牽牛星”登月車設(shè)計進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足設(shè)計要求的同時減輕重量。
行業(yè)：航空航天
挑戰(zhàn)：在“牽牛星”登月車設(shè)計時 需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足 設(shè)計要求的同時減輕重量。
Altair 解決方案：利用 OptiStruct 進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu) 化，同時進(jìn)行尺寸和形狀優(yōu) 化，達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
優(yōu)點(diǎn)：簡化研發(fā)流程 ； 縮短 40%以上設(shè)計時間
背景介紹
Altair結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具OptiStruct為“牽牛星”登月車設(shè)計提供必要的概念設(shè)計思路，成功 完成結(jié)構(gòu)減重設(shè)計并達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。
位于美國猶他州克利爾菲爾德的ATK航空航天公司是全球領(lǐng)先的飛行器設(shè)計制造公 司。目前，該公司業(yè)務(wù)集中在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造。ATK為全球航空航天和國防 企業(yè)提供飛行器設(shè)計和制造服務(wù)。
挑戰(zhàn)
將ATK復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工經(jīng)驗(yàn)融入“牽牛星”登月車的著陸模塊設(shè)計中，使其滿 足以下要求： ? 評估復(fù)合材料應(yīng)用合理性 ? 優(yōu)化結(jié)構(gòu)形狀 ? 滿足設(shè)計要求 ? 減重
“應(yīng)用Altair OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，我們研究了登月車著陸模塊的傳力路徑問 題。根據(jù)研究結(jié)果，我們重新設(shè)計了結(jié)構(gòu)的材料分布以便能夠更有效的承受載荷。 后續(xù)進(jìn)行的尺寸和形狀優(yōu)化分析可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的尺寸特性以滿足設(shè)計要求（如固 有頻率、屈曲、應(yīng)力等）。”
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(xué)在經(jīng)典非均質(zhì)各向異性彈性力學(xué)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(xué)：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(qiáng)材料復(fù)合而成的單層材料，其力學(xué)性能決定于組分材料的力學(xué)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(xué)性能決定于單層材料的力學(xué)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(xué)性能決定于層合體的力學(xué)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(qiáng)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(yàn)；
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 
CMF設(shè)計對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響【上】金屬材料部分
分五大類，有金屬，塑膠，木材，玻璃，皮布，這些在電子產(chǎn)品中是最常用，常見的，重點(diǎn)來闡述他們的CMF與結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系。
那么為什么沒有把陶瓷，石材，碳纖維等其他材料劃分進(jìn)去？
這些材料在產(chǎn)品中運(yùn)用還是比較少，并且都是屬于個性市場，不具備電子產(chǎn)品廣大消費(fèi)者常用的材料，所以就不詳解了，畢竟這五大類信息量已經(jīng)非常大了。
【四】CMF常用材質(zhì)以及表面處理對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響有哪些？
那么接下來，我們詳解一下CMF常用材質(zhì)以及表面處理對結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，來看看不同的材質(zhì)能做哪些表面處理，他們的工藝效果是怎樣的，最終對結(jié)構(gòu)設(shè)計會帶來哪些影響？
首先來看金屬材料有哪些？
01，不銹鋼：
非常常見也常用的，手機(jī)上可以用作裝飾件，也可以用作結(jié)構(gòu)支撐支架。音響上可以用作喇叭網(wǎng)，也可以用作外殼。手表上可以用作表鏈，表殼，表芯等。家電TV上也常用作內(nèi)部結(jié)構(gòu)支撐或外殼。
不銹鋼又分為板材類與液體金屬類，板材類通常成型工藝以沖壓、拉伸、折彎為主，板材厚度從0.05到8.0mm都有，可以根據(jù)設(shè)計要求選擇。
而液體金屬常用工藝采用的是MIM粉末冶金的方式，一般最薄的地方可以做到0.3mm。
那么除了以上2種加工工藝，還有兩種成型方式，分別叫熱成型與冷軋，都是用板材為基材成型的，像表殼，表鏈通常用此2種工藝制作，然后后期采用CNC加工細(xì)節(jié)處理，達(dá)到最終外形效果。
02，鋁：
一樣也是非常普及的常用的金屬材料，手機(jī)，家電，音響，手板等都有用到，覆蓋面非常廣，由于鋁的材料特性，可塑性也高，價格適中，所以備受設(shè)計師喜愛。
展開 【技術(shù)文章】基于Inspire軟件的汽車踩踏板材料及結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計
汽車踩踏板初始模型材料為鋼材，輕量化過程采用6系鋁合金材料，最大限度地提高踩踏板強(qiáng)度并降低質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)綜合性能優(yōu)化。
3.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理
結(jié)構(gòu)優(yōu)化概念在1988年由Kikuchi首次提出，其優(yōu)化思想是：根據(jù)結(jié)構(gòu)件載荷狀況、限定條件和性能要求，把求解結(jié)構(gòu)的最優(yōu)輕量化問題轉(zhuǎn)變成求解材料的最優(yōu)分布問題，在優(yōu)化設(shè)計空間內(nèi)對材料分布進(jìn)行設(shè)計。通過對踩踏板進(jìn)行結(jié)構(gòu)、材料的優(yōu)化設(shè)計，可以更好地提高汽車實(shí)用性，降低溫室氣體排放。汽車踩踏板結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程采用Kikuchi所提方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，即將踩踏板設(shè)計變量作為優(yōu)化空間中各部分的相對密度，明確踩踏板優(yōu)化區(qū)域的約束條件，設(shè)定優(yōu)化前后的體積百分比，并建立踩踏板結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型，踩踏板結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如下。
式中：Y為優(yōu)化空間各部分相對密度；Z為材料密度的取值區(qū)域；m為全部設(shè)計域單元量；優(yōu)化目標(biāo)C（y）為目標(biāo)結(jié)構(gòu)平滑度；F為踩踏板結(jié)構(gòu)件承受的負(fù)載；K為踩踏板結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度；P為踩踏板結(jié)構(gòu)承受負(fù)載情況下的位移；V為每次優(yōu)化設(shè)計后踩踏板的體積；Q為初始設(shè)定優(yōu)化后踩踏板總體積保留率；Vmax為初始設(shè)定的優(yōu)化后踩踏板體積最大值；Ymin和Ymax分別為設(shè)計空間相對密度的最小值和最大值，當(dāng)踩踏板某部分相對密度等于Ymin時，則認(rèn)為該部分密度為0，即該部分已被去除。
展開 帆船復(fù)合材料船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(新)
在船型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中一般需對結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析（應(yīng)力，屈曲）、結(jié)構(gòu)斷裂和疲勞、結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)特性、結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行優(yōu)化。此例通過優(yōu)化帆船船體7大主要部位的復(fù)合材料纖維走向角（fiber orientation angles），總計21個設(shè)計參數(shù)，降低帆船內(nèi)部和船肋框體-船底（frame-floor）的最大應(yīng)力值,內(nèi)部應(yīng)力值經(jīng)可能小，優(yōu)化策略；DOE random，64個體，MOGA，20代進(jìn)化。
復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
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