材料結構的案例
復合材料結構設計手冊
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復合材料結構設計基礎
一、復合材料的定義與構造特點
1）復合材料的定義
復合材料——由兩個或兩個以上獨立的物理相（粘結材料和顆粒、纖維或片狀材料）所組成的一種固體產物。
定義中說的物理相，可以是連續的，也可以是不連續的。連續相稱為基體材料；不連續相（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、支撐、保護增強材料和傳遞應力的作用，主要提供復合材料的物理、化學性能，常采用橡膠、石墨、樹脂、金屬和陶瓷等。
2）復合材料的主要特點
1）復合材料的性能具有可設計性
2）材料和結構具有同一性
3）復合材料結構設計包含材料設計
4）材料性能對復合工藝的依賴性
5）復合材料具有各向異性和非均質性
3）復合材料的構造特點
復合材料與其說是材料，不如說是結構更確切。因此復合材料結構可分為
三個結構層次：
單層板（一次結構）
層合板（二次結構）
工程結構（三次結構）
4）復合材料結構設計特點
復合材料結構設計也分為三個層次：
單層設計——正確選擇増強材料和基體，確定組分比。
（單層材料性能設計）
層合板設計——確定單層層數、鋪設方向和鋪設順序。
展開 聚氨酯復合材料電桿的結構設計與分析
?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。
?混凝土結構重量大，運輸與安裝也不方便。
2.聚氨酯樹脂的特點
?聚氨酯（PU）的分子結構中含有氨基甲酸酯基團（—NH—COO—），擁有良好的力學性能（輕質高強高模量，斷裂延伸率大，耐沖擊），優異的耐酸堿、紫外線和大氣老化性能；成型方便、環保（無苯乙烯揮發）。
?纖維纏繞聚氨酯復合材料電桿的優越性能：
（1）質量輕，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力；絕緣性能好；
（3）耐候性能好，抵抗風吹日曬等惡劣環境。
二、聚氨酯復合材料電桿的結構設計
1. 復合材料產品設計特點：材料結構設計一體化。
（1）性能設計：充分考慮最終產品的使用目的和使用條件，使設計出復合材料產品與設計要求相同。
（2）結構設計：強度、剛度與穩定性計算。根據所承受的載荷及使用環境，設計出確保材料安全可靠經濟的結構尺寸。是選用不同材料，結合工藝，在各種載荷組合工況下的力學計算與鋪層的反復過程。
（3）工藝設計：應盡可能使結構成型方便、成本低廉。
這三者相互關聯，不能截然分開。結構設計包含了材料設計的所有內容，是復合材料產品合理設計和降低成本的關鍵。
2. 復合材料電桿的結構設計特點與必要性
（1）雖然電桿的幾何形狀簡單，但和所有復合材料結構一樣，材料為各向異性材料，極具可設計性。
（2）電桿具有較大的錐度：1/75；纏繞工藝和等直桿不同，使得結構設計中不同截面的材料參數和幾何參數不同。事實上，工藝參數的不同，導致材料的力學性能不同，也導致結構力學行為的迥異。
展開 【技術】復合材料結構設計知識共享系列（一）
【技術】復合材料結構設計知識共享系列（一）
1、引言
作者最近寫了一些文章，闡述了對國產碳纖維產業化之路的一些觀點，國產碳纖維實現產業化的關鍵是用國產碳纖維開發出“買得起的復合材料制品”，而開發“買得起的復合材料制品”的過程中“設計是主導，材料是基礎，制造是關鍵，應用是目的”。縱觀國際復合材料應用領域幾十年的發展，無疑航空航天領域積累了最多的經驗教訓，被稱為“復合材料圣經”的CMH-17《復合材料手冊》主要是航空航天領域研究和應用復合材料40多年的經驗教訓，其他領域的高端應用無不顯現航空航天的痕跡，例如從風電葉片的設計中可以看到直升機旋翼槳葉的設計理念。目前復合材料應用方興正艾的交通運輸車輛結構與航空航天結構類似，都屬于受力復雜的桿板殼結構，因此順理成章地交通運輸車輛結構的設計理應繼承航空航天領域復合材料結構設計的經驗教訓。作者在飛機復合材料結構的應用領域馳騁了30多年，對飛機復合材料結構設計積累了一些經驗和教訓，希望能把這些體會寫出來與碳纖維復合材料界同人共享。
飛機復合材料結構設計，在確定結構布局和生產工藝后，首先面臨著選材的任務，本文試圖從飛機結構完整性要求出發，在滿足工藝需求和材料工作極限（MOL，對環氧樹脂MOL=濕態玻璃化轉變溫度Tg-28℃）的前提下，闡述飛機結構對碳纖維復合材料的力學性能要求。
2、 飛機結構完整性要求
2.1 復合材料飛機結構設計規范的特點
飛機結構完整性的定義是：影響飛機安全使用和成本費用的機體結構的強度、剛度、損傷容限、耐久性和功能的總稱?！币虼藢︼w機結構用材料體系的要求就必須滿足這些要求。
展開 
復合材料結構設計知識共享系列之二復合材料沖擊損傷的來龍去脈
在發表的文獻中給出了當時波音民用飛機使用的復合材料體系T300/5208的沖擊能量~壓縮破壞應變曲線（見圖1），其門檻值大約為2800με。
圖1 翼面結構典型鋪層試樣壓縮下沖擊破壞曲線
國內從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備及開展了相關的理論和試驗研究。這項研究在航空用復合材料體系的研發和復合材料飛機結構的損傷容限設計和試驗驗證中得到應用。1980年代國內開始軍機復合材料結構的設計和研制，當時首先遇到的問題是沒有復合材料結構設計知識，特別是當時作為設計入門的國外某公司《復合材料設計手冊》中給出一組設計用材料數據（見圖2），從文獻可知，其所用材料體系是T300/5208。通常金屬結構極限載荷與限制載荷相差1.5倍，結構在極限載荷下的設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是極限強度除以1.5，這組數據背離了人們的常識。當時國內軍機采用T300碳纖維，但使用國內研制的樹脂，其設計值該如何確定成了航空復合材料界的難題，航空界進行了研究和向國外專家咨詢，但始終沒有解決（關于許用值與設計值將在另文討論），但在該文件中指出了壓縮限制應變的確定與沖擊損傷有關。在此背景下，當年作者提出了確定設計值的一種工程方法：鑒于設計值與沖擊損傷有關，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構鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應變曲線的門檻值為2800με，只要將國內軍機所用材料同樣結構典型鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應變曲線門檻值與其進行比較，即可確定國內軍機所用材料體系的壓縮設計值。在設計經驗比較缺乏的1990年代，根據作者提出的這種確定壓縮設計值的簡便方法，解決了軍機復合材料結構研制中遇到的一系列問題。
展開 復合材料結構設計知識共享系列之二復合材料沖擊損傷的來龍去脈
在發表的文獻中給出了當時波音民用飛機使用的復合材料體系T300/5208的沖擊能量~壓縮破壞應變曲線（見圖1），其門檻值大約為2800με。
圖1 翼面結構典型鋪層試樣壓縮下沖擊破壞曲線
國內從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備及開展了相關的理論和試驗研究。這項研究在航空用復合材料體系的研發和復合材料飛機結構的損傷容限設計和試驗驗證中得到應用。1980年代國內開始軍機復合材料結構的設計和研制，當時首先遇到的問題是沒有復合材料結構設計知識，特別是當時作為設計入門的國外某公司《復合材料設計手冊》中給出一組設計用材料數據（見圖2），從文獻可知，其所用材料體系是T300/5208。通常金屬結構極限載荷與限制載荷相差1.5倍，結構在極限載荷下的設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是極限強度除以1.5，這組數據背離了人們的常識。當時國內軍機采用T300碳纖維，但使用國內研制的樹脂，其設計值該如何確定成了航空復合材料界的難題，航空界進行了研究和向國外專家咨詢，但始終沒有解決（關于許用值與設計值將在另文討論），但在該文件中指出了壓縮限制應變的確定與沖擊損傷有關。在此背景下，當年作者提出了確定設計值的一種工程方法：鑒于設計值與沖擊損傷有關，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構鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應變曲線的門檻值為2800με，只要將國內軍機所用材料同樣結構典型鋪層試樣的沖擊能量~壓縮破壞應變曲線門檻值與其進行比較，即可確定國內軍機所用材料體系的壓縮設計值。在設計經驗比較缺乏的1990年代，根據作者提出的這種確定壓縮設計值的簡便方法，解決了軍機復合材料結構研制中遇到的一系列問題。
展開 碳纖維復合材料結構設計要點
前些時候跟英國TWI的專家交流，探討了用碳纖維復合材料代替傳統金屬材料，尤其在制造重要的結構部件中的思路。發現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，細數碳纖維復合材料結構部件的設計要點。
內容所有涉及的復合材料結構一般是指碳纖維預浸料鋪層結構。
強度與剛度
既然是結構部件，那么設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，就是碳纖維復合材料結構設計者需要考慮的問題。
通過合理的搭配纖維和樹脂，優化纖維排布，用最少的材料，滿足設計需求，體現了復合材料設計者精湛的技巧。不過決定復合材料強度與剛度的因素，不但與纖維和樹脂的種類有關，還與碳纖維的鋪層方向以及層與層之間結合搭配有關。
所以，設計者在設計碳纖維復合材料結構部件時，需要考慮三個層級結構的力學性能。
由基體和增強材料復合而成的單層材料，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、鋪設方向、鋪層序列) 。
最頂層結構是指通常所說的工程結構或產品結構，其力學性能決定于層合體的力學性能和結構幾何。
穩定性
除了強度與剛度要求，設計者還需考慮復合材料部件的失穩，尤其是對一些細長桿結構，在受壓時，應該能夠保證其原有的直線平衡狀態。對于一些框架結構部件，如果鋪層不均勻，也會產生翹曲失穩，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 8月6-8日 西安 斯姆勒 | ANSYS復合材料結構強度、傳熱、動力學高級專題培訓
各企事業單位：
隨著復合材料的日益發展，復合材料力學的應用范圍也在逐漸擴大，特別在航空航天、壓力容器、汽車工程、建筑結構等領域。本課程基于ANSYS WORKBENCH平臺的復合材料前后處理模塊ACP，全面系統地講解復合材料力學計算的原理，復合材料結構的強度、剛度、傳熱、動力學、疲勞等分析方法和常見工程熱點和難點問題的處理措施，基于理論聯系實際的培訓思想，通過實例強化軟件的使用幫助設計人員解決具體的復合材料力學問題。斯姆勒數值仿真技術研究院特舉辦“ANSYS復合材料結構強度、傳熱與動力學專題培訓”工程實例培訓，具體內容如下：
一、培訓目標：
（一）、理解復合材料力學計算的原理；
（二）、掌握復合材料力學的靜力學分析方法；
（三）、掌握復合材料力學的隱/顯式動力學分析方法；
（四）、掌握復合材料力學的傳熱分析方法；
（五）、掌握復合材料力學的失效評估及裂紋擴展分析方法；
（六）、培養獨立復合材料工程結構的力學分析能力。
二、增值服務：
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2、參與學員均免費注冊為雅典娜仿真技術共享云平臺會員，贈送仿真技術視頻數百G仿真技術視頻；
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5、單次課程參與培訓人數5人及以上，可安排就近城市開課。
三、主講專家：
寧老師：力學博士，畢業于西安交通大學航空航天學院。
展開 【7月14-16日 西安 斯姆勒】ABAQUS復合材料結構強度、傳熱、動力學及疲勞壽命預測專題培訓
【7月14-16日 西安 斯姆勒】ABAQUS復合材料結構強度、傳熱、動力學及疲勞壽命預測專題培訓
技術鄰公告 6月6日1055
各企事業單位：
隨著復合材料的日益發展，復合材料力學的應用范圍也在逐漸擴大，特別在航空航天、壓力容器、汽車工程、建筑結構等領域。本課程基于ABAQUS軟件，全面系統地講解復合材料力學計算的原理，復合材料結構的強度、剛度、傳熱、動力學、疲勞等分析方法和常見工程熱點和難點問題的處理措施，基于理論聯系實際的培訓思想，通過實例強化軟件的使用幫助設計人員解決具體的復合材料力學問題。斯姆勒數值仿真技術研究院特舉辦“ABAQUS復合材料結構強度、傳熱與動力學專題培訓”工程實例培訓，具體內容如下：
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二、主講專家
寧老師：力學博士，畢業于西安交通大學航空航天學院。擁有豐富的科研及工程技術經驗，長期從事有限元領域應用研究，具有資深的技術底蘊和專業背景。擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，瞬態動力學時程分析，轉子動力學分分析、線性/非線性后屈曲分析，損傷斷裂力學分析，復合材料分析、壓電分析，熱分析，顯式動力學分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。善于利用ANSYS進行二次開發解決特定領域科研/工程問題。
展開 （網絡研討會）復合材料結構仿真分析技術在航空航天領域的應用
Samcef Composites在歐洲航空航天業界有著非常廣泛的應用，空客已經采用Samcef Composites做復合材料結構分析有二十余年，基于CAESAM平臺和SAMCEF求解器打造的結構分析平臺ISAMI更是被空客全球及其供應商作為統一的結構分析平臺使用。此外EUROCOPTER、EADS、SAFRAN、DLR、LATECOERE、SONACA、ENSICA、ENS、GE、ALSTOM、CITROEN等眾多全球知名企業也都在采用SAMCEF Composites進行復合材料結構分析，SamcefComposites軟件在復合材料方面的專業性和實用性也得到了廣泛的認可。[/p][p=24, null, left]本次會議中，主講人將結合應用案例，講解復合材料強度分析、經典失效分析、線性、非線性屈曲和后屈曲分析、復合材料層間和層內損傷分析、集成到KBE工具（CAESAM）的復材結構分析平臺、復合材料結構優化、編織和纏繞復合材料分析。
展開 『轉貼』復合材料結構分析------建模篇
復合材料是一種各向異性材料，對于纖維增強復合材料又是一種正交各向異性材料，因此，在進行復合材料結構建模的時候要特別注意的一個重要的問題，就是材料的方向性。下面，就我個人的分析經驗，對復合材料結構的建模作一個總結。
1． 結構坐標系、單元坐標系、材料坐標系和結果坐標系
建立復合材料結構模型，存在一個結構坐標系，用于確定幾何元素的位置，這個坐標可以是笛卡爾坐標系、柱坐標系或者是球坐標系；單元坐標系是每個單元的局部坐標系，一般用來描述整個單元；材料坐標系是確定材料屬性方向的坐標系，一般沒有專門建立的材料坐標系，而是參考其他坐標系，如整體結構坐標系，或單元坐標系，在Ansys程序中，材料坐標是由單元坐標唯一確定的，要確定材料坐標，只要確定單元坐標就行了；結果坐標系是在進行結果輸出時所使用的坐標系，也是一般參考其他坐標系。在Ansys程序中，關于坐標系有人做過專門的總結。見附件。
2． 用于復合材料結構分析的單元
用于復合材料分析的單元主要有兩類，一類是層合單元，如Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191；另一類是各向異性單元，如Solid64；這些材料都有不同的處理方法，層合單元，在一個單元內可以包含多層信息，包括各層的材料、厚度和方向；各項各向異性單元，在一個單元內，只能包含一種材料信息，而且所得到的計算結果還要進行一些處理，因此有一定的局限性。
3．
展開 
【7月22-24日 西安 斯姆勒】ANSYS復合材料結構強度、傳熱、動力學及疲勞壽命預測專題培訓
【7月22-24日 西安 斯姆勒】ANSYS復合材料結構強度、傳熱、動力學及疲勞壽命預測專題培訓
技術鄰公告 6月6日1053
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一、培訓目標
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（二）、掌握復合材料力學的靜力學分析方法；
（三）、掌握復合材料力學的隱/顯動力學分析方法；
（四）、掌握復合材料力學的傳熱分析方法；
（五）、掌握復合材料力學的失效評估及裂紋擴展分析方法；
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強度與剛度
既然是結構部件，那么設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，就是碳纖維復合材料結構設計者需要考慮的問題。
通過合理的搭配纖維和樹脂，優化纖維排布，用最少的材料，滿足設計需求，體現了復合材料設計者精湛的技巧。不過決定復合材料強度與剛度的因素，不但與纖維和樹脂的種類有關，還與碳纖維的鋪層方向以及層與層之間結合搭配有關。
所以，設計者在設計碳纖維復合材料結構部件時，需要考慮三個層級結構的力學性能。
由基體和增強材料復合而成的單層材料，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、鋪設方向、鋪層序列) 。
最頂層結構是指通常所說的工程結構或產品結構，其力學性能決定于層合體的力學性能和結構幾何。
穩定性
除了強度與剛度要求，設計者還需考慮復合材料部件的失穩，尤其是對一些細長桿結構，在受壓時，應該能夠保證其原有的直線平衡狀態。對于一些框架結構部件，如果鋪層不均勻，也會產生翹曲失穩，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，不允許產生失穩現象。但是如果對于一些特殊要求，可以產生失穩現象，那么設計過程中，要考慮失穩過程不會因此影響極限載荷。
鋪層結構
鋪層結構是碳纖維復合材料結構設計的關鍵，如何把單層結構的優異性能傳遞到復合材料結構部件上，鋪層結構起到承上啟下的作用。
展開 一種3D結構復合材料的導熱系數模擬計算方法
來源 | Thermal Science and Engineering Progress
01
背景介紹
復合材料結構的有效導熱系數取決于許多變量，包括不同相的固有特性、微觀結構和不同相之間的界面。建模方法，包括理論和仿真方法，是理解這些因素對復合材料性能影響的有力工具。特別是，仿真模型能夠解決需要昂貴、耗時和難以重現的實驗過程的情況。此外，大型的微觀結構和性能模擬數據集可以豐富有限的實驗數據，從而實現數據驅動的復合材料設計。
滲透路徑以及復合材料的組分和界面性質決定了復合材料的輸運性質。滲流理論與區域內截斷網絡的形成有關，這有利于熱通量通過遠程連通性轉移。根據實驗觀察，當顆粒體積分數超過一定值時，復合材料結構的有效導熱系數急劇增加。這是復合結構中形成滲透路徑的點，稱為滲透閾值。換句話說，根據實驗和數值研究的觀察結果，有效導熱系數隨顆粒含量增加的增強是非線性的。
蒙特卡羅模擬是一種眾所周知的理論預測隨機或均勻分布結構中滲透閾值的策略，在以往對不同孔隙形狀、顆粒形狀和縱橫比的復合材料結構的研究中得到了廣泛應用。在某些情況下，有效導熱系數的顯著增強并不會隨著高導熱系數顆粒體積分數的增加而發生。此外，滲流路徑受到界面熱阻的強烈影響，而界面熱阻來源于該區域的界面聲子散射。因此，在計算有效導熱系數時，必須同時考慮界面熱阻和滲流的發生。
對于復合材料的有效導熱系數的預測，已有幾種解析和數值方法。分析方法如Maxwell和Bruggeman模型，易于使用，但不考慮復合材料中材料分布的細節。相比之下，基于求解偏微分方程(PDE)的數值方法，如有限元法(FEM)，能夠考慮復合材料中顆粒的形態和分布，但計算成本非常高。
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