復合材料范文

導語：如何才能寫好一篇復合材料，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

持續提高復合材料的性能是航空復合材料基礎研究一個永恒的主題，一如“更高、更快、更強”的奧運會精神。幾年前，空中客車公司就飛機復合材料技術的現狀和發展方向指出，未來航空復合材料應該具有更高的韌性性質，體現在連續碳纖維增強的航空樹脂基復合材料上，就是這些材料必須具備更高的壓縮強度和沖擊后壓縮強度（CAI，Compression　After　Impact，圖1），這樣才能保證飛機的安全性。復合材料的壓縮強度主要由碳纖維的性能決定，而復合材料的CAI性質則取決于樹脂材料的韌性，特別是復合材料的多尺度、多層次結構等。

事實上，寸有所長，尺有所短，沒有一種材料是“全才”，也沒有一種材料是只有優點而沒有弱點的。從總體上看，碳纖維增強材料作為航空復合材料產生優秀力學性能的基礎，它本身的韌性就很低，導致用碳纖維增強的樹脂基復合材料的韌性水平相對于許多金屬材料也偏低，因此，提升結構材料、特別是先進的碳纖維增強樹脂基復合材料的韌性性能當然也是航空復合材料領域永恒的研究主題。

增韌新概念的提出與實踐

眾所周知，玻璃易碎，但夾層防彈玻璃或車窗玻璃卻不怕。為什么？就是因為在這些層狀化“復合材料”的設計里，在兩張薄玻璃層之間設置了一層柔性高分子的插層（如PVC膠膜），并保證兩者之間良好黏結，這樣，在彈擊或撞擊事件發生時，夾層玻璃一般不會發生粉碎性、穿透性的災難性破壞（圖2）。顯然，夾層玻璃設計沒有改變玻璃脆性的本質，但通過層間插入改變了整個系統對外部沖擊的響應機制和破壞模式，因此就不怎么害怕沖擊破壞了。

為了提升我國航空復合材料的韌性性質，特別是提高航空復合材料的沖擊后壓縮性質，在國家973計劃項目等的支持下，北京航空材料研究院先進復合材料國防科技重點實驗室的材料科學家提出了復合材料層間增韌和層內增剛的新概念，在2000年前后，在“離位”層間增韌方面，初步實現在保持復合材料比剛度和比強度的同時，大幅度提高復合材料的沖擊分層損傷阻抗與容限，這其中，一個關鍵的概念就是“離位”層間增韌技術，這個技術的形象的理解可以比照夾層防彈玻璃：為了提高比較脆性的熱固性復合材料的沖擊損傷阻抗，可以在連續碳纖維的鋪層之間放置高韌性的熱塑性樹脂鋪層。

實踐是檢驗真理的標準。通過國產雙馬來酰亞胺樹脂基復合材料各3個試樣“離位”層間增韌前后的沖擊分層損傷超聲波C掃描照片、沖擊分層損傷的投影面積以及相應的沖擊后壓縮強度（CAI值）的對比，比較發現，“離位”層間增韌不僅提高了復合材料抗擊沖擊分層的能力（沖擊損傷阻抗），減少了的分層投影面積，而且也提高了復合材料的沖擊后剩余壓縮強度（沖擊損傷容限）。

同樣，國產聚酰亞胺復合材料的研究和測試結果也表明，“離位”增韌方面也有力地提升了這種高溫復合材料的沖擊分層損傷阻抗和損傷容限，復合材料的CAI值提升顯著。對國內外其他復合材料例如環氧樹脂基以及聚苯并惡嗪基復合材料沖擊損傷阻抗和損傷容限的研究與測試結果證實，“離位”層間增韌技術在合適的材料熱力學和動力學條件下，均可以取得比較明顯的復合材料增韌改性效果。

“離位”增韌的材料科學基礎

那么，這些不同化學結構的樹脂基復合材料沖擊損傷阻抗和損傷容限得到提高的材料學機制是什么呢？現代材料科學告訴我們，決定材料使用性能的關鍵不僅取決于組成這個材料體系的成分，而且取決于這個材料體系內部的多尺度、多層次的微結構，因此，根據“離位”層間增韌在連續碳纖維的鋪層之間放置高韌性的熱塑性樹脂鋪層是一回事，而得到什么樣的材料微結構是另一回事。大量的基礎研究工作表明，雙連續、顆?；奈⒂^結構將有利于提高材料的沖擊韌性，因為在這種結構里，裂紋的引發及其擴展必須穿越大量顆粒以及顆粒間的高韌性的“填充”材料，從而引起大量的能量消耗，換句話說，這樣的微結構是一種高韌化的微結構。根據這個思路，重點實驗室的科研人員通過材料熱力學和動力學的研究，研制獲得了這種雙連續、顆?；臒崴苄愿叻肿?熱固性高分子復相微觀結構，選用的樹脂材料對象就是我國航空工業的主要復合材料品種（圖3）。

需要指出，“離位”增韌技術的第二個條件是“定域”，就是說，必須把這種雙連續、顆粒化的微觀結構準確地放置在層狀復合材料的富樹脂的層間，并且盡可能地控制層間厚度，以保證復合材料在高增強纖維體積分數條件下的比剛度和比強度。圖4所示是一個國產高溫環氧樹脂基復合材料的碳纖維鋪層間的微結構形貌，照片中，特征性的雙連續、顆粒狀的環氧樹脂顆粒連成了一片，層間厚度約相當于2～3根碳纖維的直徑。同時我們還可以看到，這種雙連續的顆粒微結構已經淺層滲透進入了碳纖維鋪層內約幾根碳纖維直徑的深度，其后，基體樹脂仍舊保持為環氧連續相。事實上，正是因為這個淺層滲透的雙連續顆粒結構產生了一種“機械”咬合作用，特別是在斷裂尖端張開載荷的條件下，這種咬合將產生“犁地”效應，在裂紋擴展時引發大量纖維的拔出和斷裂，導致裂紋擴展或分層的阻力成倍地增長。

根據以上的觀測結果，可以初步建立一個“離位”復合材料的層結構模型（圖5），初始被表面附載而預置在碳纖維鋪層間的熱塑性樹脂層經過熱固性樹脂的擴散、交聯固化，特別是經過相分離、相反轉和相粗化等一系列熱力學和動力學過程，形成為一個跨層間的獨特的熱固性樹脂連續結構，其形貌特征是連續的顆粒結構，與此同時，熱塑性樹脂也是連續地分布在熱固性樹脂顆粒之間，即“雙連續”。特別是這種雙連續結構的邊界并不是兩個碳纖維鋪層的層間，而是淺層滲透進入了碳纖維鋪層的層內，從而產生機械互鎖效應。

概念性研究成果的工程化放大

為了將這個基礎研究的成果推向工業應用，在中航工業創新基金項目等的財政支持下，重點實驗室的科研人員在熱熔預浸機上把“離位”表面附載技術進行了連續化放大試驗，結果令人滿意。由此獲得的預浸料產品命名為ES?-Prepreg預浸料，北京航空材料研究院獲得這個產品的注冊商標。

篇2

關鍵詞:納米復合材料；特性；制備技術；應用

1 引言

“納米復合材料”的提出是在20 世紀80 年代末期,由于納米復合材料種類繁多以及納米相復合粒子具有獨特的性能,使其一出現即為世界各國科研工作者所關注,并看好它的應用前景。根據國際標準化組織的定義,復合材料就是由2種或2種以上物理和化學性質不同的物質組合而成的一種多相固態材料。在復合材料中,通常有一種為連續相的基體和分散相的增強材料。由于納米復合材料各組分間性能“取長補短”,充分彌補了單一材料的缺點和不足,產生了單一材料所不具備的新性能,開創了材料設計方面的新局面,因此研究納米復合粒子的制備技術有著重要的意義。

納米復合材料由2種或2種以上的固相[其中至少有一維為納米級大小(1 nm～100 nm) ]復合而成。納米復合材料也可以是指分散相尺寸有一維小于100 nm的復合材料,分散相的組成可以是有機化合物,也可以是無機化合物。本文在文獻的基礎上,針對納米復合材料的主要性能與特點、制備技術、主要應用及應用前景等作了比較詳細的介紹和展望。

2納米復合材料的性能與特點

2. 1納米復合材料的基本性能

納米復合材料在基本性能上具有普通復合材料所具有的共同特點:

1) 可綜合發揮各組分間協同效能。這是其中任何一種材料都不具備的功能,是復合材料的協同效應所賦予的。納米材料的協同效應更加明顯。

2) 性能的可設計性 。當強調紫外線光屏蔽時,可選用TiO2 納米材料進行復合;當強調經濟效益時,可選用CaCO3 納米材料進行復合。

2. 2納米復合材料的特殊性質

由無機納米材料與有機聚合物復合而成的納米復合材料具有獨特的性能:

1) 同步增韌、增強效應。納米材料對有機聚合物的復合改性則可在發揮無機材料增強效果的同時起到增韌的效果,這是納米材料對有機聚合物復合改性最顯著的效果之一。

2) 新型功能高分子材料。納米復合材料以納米級水平平均分散在復合材料中,沒有所謂的官能團,但它可以直接或間接地達到具體功能的目的,比如光電轉換、高效催化劑、紫外光屏蔽等。

3) 強度大、彈性模量高。納米材料加入的有機聚合物復合材料有更高的強度和彈性模量,加入很少量( 3% ～5%,質量分數)即可使聚合物的強度、剛度、韌性和阻隔性得到明顯地提高,且納米材料粒度越細,復合材料的強度、彈性模量就越大。

4) 阻隔性能。對插層納米復合材料能顯著地提高復合材料的耐熱性及尺寸的穩定性,層狀無機納米材料可在二維方向上阻隔各種氣體的滲透,所以具有良好的阻燃、氣密作用。

3納米復合材料的制備技術

粒子表面處理的方法通常是將一種物質吸附或包覆于另一種物質的表面,兩種或多種物質接觸緊密或形成一定的化學鍵。從國內外目前的研究現狀來看,納米復合材料的制備方法主要有下列幾種。

2. 1機械化學法

采用機械化學法對超細粉體進行表面改性。機械化學法具有處理時間短、反應過程易控制、可連續批量生產的優點。該法的缺點是易使無機離子的晶型遭到破壞,包覆不均勻,而且一般要求母粒子在微米級,并要先制備單一的超細粒子。

2. 2氣相法

氣相法制備納米復合材料的方法主要包括物理氣相沉淀法和化學氣相沉淀法。

1) 物理沉淀法是最早用來制備單一物質的納米材料的經典物理制備方法。

2) 氣相反應法是以揮發性金屬鹵化物和氫化物或有機金屬化合物為原料,進行氣相熱分解和其他化學反應來制成超細復合材料,這是合成高熔點無機化合物細粉最引人注目的方法之一。

2. 3液相法

該方法是目前廣泛使用的合成納米粒子的方法,也是制備納米復合材料的重要方法。

2. 4固相反應法

固相反應法是指固體直接參與化學反應并發生化學變化,同時在固體內部或外部至少有1個過程起控制作用的反應。

3納米復合材料的應用

納米復合材料是隨著納米技術的發展而產生的一種新型材料,由于納米復合材料特殊的性能,所以它一經產生便引起了人們的極大關注,并被廣泛地應用于國民經濟各領域和軍事領域。

在功能材料中,主要可用作納米復合功能陶瓷的納米復合材料,金屬基納米復合功能材料、高分子納米復合功能材料、超導復合材料和納米復合隱身材料等。在醫用器件中,主要用作納米生物醫用信息處理系統、醫用納米機器人;納米醫用藥物中的藥物性納米粒子和納米醫用載體。在軍事領域中最有代表性的是采用納米復合材料制備高性能的發動機,美國已開始進入實用階段。電子對抗領域也是納米粒子的重要應用領域。

4結束語

納米復合材料作為一種新型的納米材料,以其優良的性能和特點以及眾多潛在的應用領域正日益成為研究和開發的重點。世界發達國家正在部署的未來10年～15年納米研究發展規劃,無論是美國的“信息高速公路計劃”、歐盟的“尤里卡計劃”,還是日本的“高技術探索計劃”,都已把納米材料列為重點發展項目 。我國在20世紀80年代末的“八五”期間,就將“納米材料科學”列入了“國家攀登計劃”,國家“863”計劃新材料主題也對納米材料有關科技創新的課題進行了立項研究。20多年來,雖然我國在納米材料基礎研究方面取得了一些令人矚目的研究成果,但就國家總體重視程度、投資力度、信息和成果的共享以及產業化的程度方面來看,仍與發達國家存在著較大差距。因此,我們應盡快制定納米技術發展計劃,加快納米復合材料研究和開發的進程。

參考文獻:

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篇3

關鍵詞：復合材料；π接頭；漸進失效分析；Hashin準則；Ye分層準則；膠層失效；Abaqus

中圖分類號：V214.8；V229；TB115.2 文獻標志碼： A

作者簡介： 陳|艷(1974―)，女，浙江東陽人，講師，博士，研究方向為航天器結構分析、優化設計、結構優化軟件系統開發,

(Email)

Progressive failure analysis on composite π joint

CHEN Shenyan1, LIN Zhiwei1, MOHAMED Yasser Mahmoud1,

HUANG Hai1, LIANG Xianzhu2

(1. School of Astronautics, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China;

2. China Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute,

China Aviation Industry Co. I, Beijing 100024, China)

Abstract： As to the complex failure modes of composite π joint, the progressive failure procedure of a structure is simulated by material stiffness degradation method. The 3D finite element model of a composite π joint is established by Abaqus; five failure modes of composite laminates are differentiated by using 3D Hashin failure criteria and Yedelamination criterion, an elasticperfectly plastic material model is applied to adhesive material to simulate the adhesive failure, and a progressive failure analysis subroutine considering both the composite laminates and adhesive failures is developed in Abaqus, in which six field variables are defined to represent different failure modes: fiber tensile failure, fiber buckling, matrix tensile cracking, matrix compression cracking, delamination failure and adhesive failure. The failure analysis is performed on the model under given increasing tensile loads, and the results show that the method is effective in predicting initial failure position, initial failure load and final failure load for composite π joint.

Key words： composite; π joint; progressive failure analysis; Hashin criteria; Yedelamination criterion; adhesive failure; Abaqus

0引言

纖維增強復合材料具有優越的比強度和比剛度，被廣泛用于制造航空航天等工程領域中的主、次要承力結構.［1］機械連接和膠接是復合材料結構最常用的2種連接形式.［2］機械連接需要鉆孔，導致孔周的局部應力集中，降低連接效率，同時使用緊固件還會增加結構重量；而膠接沒有鉆孔引起的應力集中問題，連接效率高，結構輕.膠接接頭已成為復合材料整體化成型的關鍵部件之一.［3］

膠接接頭分平面內接頭和非平面內接頭2類.對平面內膠接接頭的強度影響因素和失效分析在理論、試驗和數值模擬等方面的研究已比較充分；而非平面內膠接接頭的結構形式相對復雜，目前主要有T形［4-5］、L形［6-7］和π形［3,8-9］等結構形式尚有待深入進行試驗和數值模擬研究.膠接接頭的失效預測主要采用基于應力應變的方法［4,6-8］和斷裂力學方法［5,9］.前者依據失效準則判斷失效，包括最大應力準則、最大應變準則、TsaiWu張量準則和Hashin準則等；后者假設有初始裂紋，通過對比應變能釋放率與試驗測得的斷裂韌性判斷裂紋是否擴展.由于斷裂韌性的測量是個耗時、耗力的過程，且不適用于無初始裂紋的結構，故較少應用.

針對某復合材料π接頭，采用基于應力應變的失效判別方法，同時考慮復合材料鋪層和膠層的材料剛度退化，建立面向三維實體有限元模型的數值分析程序.對該接頭在給定加載方式下的失效過程進行模擬，進而從工程角度對其初始失效位置、初始失效載荷和最終失效載荷等關鍵指標進行判別.

1復合材料π接頭結構形式

某復合材料π接頭結構示意見圖1.

圖 1某復合材料π接頭結構示意

Fig.1Structure of composite π joint

該接頭由U形板、L形板、一形層、0°單向帶填料、蒙皮和蜂窩夾層板等構成.其中，U形板與蜂窩夾層板間通過膠層膠接，U形板、L形板與一形層間通過膠層膠接，一形層與蒙皮通過膠層膠接.接頭的主要尺寸見表1，其中，W為蒙皮長度，M為蒙皮厚度，K為接頭和蒙皮的寬度，H為整個接頭結構的高度，T為蜂窩夾層板厚度，L1為L形板的橫向長度，L2為L形板的縱向長度，R1和R2分別為L形板和U形板的圓角半徑，L形板和U形板的厚度均為t/2.

表 1接頭的主要尺寸

Tab.1Joint dimensionsmm參數WMKHT尺寸1102.4501606參數L1L2R1,R2t/2尺寸302420.36

利用Abaqus/CAE建立該接頭的三維有限元模型，每個鋪層和所有膠層都采用實體單元，鋪層采用碳纖維雙馬樹脂復合材料.蜂窩夾層板面板有6層鋪層，鋪層為［45°/0°/-45°］s；圖 2復合材料π接頭有限元模型

Fig.2Finite Element

model of

composite π

joint一形層有3層鋪層，鋪層為［-45°/0°/45°］；L形板和U形板各有3層鋪層，鋪層為［45°/0°/-45°］.各個鋪層厚度均為0.12 mm.蒙皮有8個鋪層，鋪層為［45°/0°/-45°/90°］s，每個鋪層厚度為0.3 mm.為模擬試驗條件，在蜂窩夾層板上施加拉力，且在試驗夾板夾持位置約束蒙皮上、下兩端面節點的3個方向位移，復合材料π接頭有限元模型見圖2.

2漸進失效模型

復合材料層合板和膠層漸進的損傷都會導致結構強度下降，破壞復合材料接頭結構，因此在建立該接頭的漸進失效模型中應同時考慮復合材料的失效和膠層的失效.

2.1復合材料失效準則

考慮復合材料層合板的纖維拉伸破壞、纖維屈曲、基體拉伸開裂、基體壓縮開裂和分層失效等5種失效形式.采用三維Hashin準則［10］和Ye分層失效準則［11］作為復合材料失效判據.與TsaiWu張量準則和TsaiHill準則相比，Hashin準則和Ye分層準則可判斷復合材料的失效形式，具體形式為：

纖維拉伸破壞(σ11>0)e2ft=σ11Xt2+τ12S122+τ13S132=1(1)纖維屈曲(σ110)e2mt=σ22+σ33Yt2+1S223(τ223－σ22σ33)+

τ12S122+τ13S132=1(3)基體壓縮開裂(σ22+σ33

σ22+σ332S232+1S223(τ223－σ22σ33)+

τ12S122+τ13S132=1(4)分層失效e2d=σ33Zt2+τ13S132+τ23〖〗S232=1,σ33>0

τ13S132+τ23S232=1,σ33

2.2膠層失效準則

采用理想的彈塑性材料模型［12］（見圖3）作為膠層的材料模型來模擬膠層的失效.在單元積分點的最大主應力小于材料的屈服應力值，材料是線彈性的；當積分點的最大主應力達到材料的屈服應力時，膠層材料進入塑性狀態，就會有無限制的塑性流動，即判斷為膠層失效.塑性區隨著外載荷的增加而擴展，當擴展到整個膠層時，就會發生最終破壞.

圖 3膠層材料采用的理想彈塑性材料模型

Fig.3Elasticperfectly plastic material model of

adhesive material

2.3材料剛度退化模型

本文采用材料剛度退化方法模擬材料的失效.利用Abaqus/Standard的用戶自定義場子程序USDFLD定義6個場變量Vf1，Vf2，Vf3，Vf4，Vf5和Vf6，分別對應于復合材料失效的5種形式和膠層材料失效.在模擬過程中，將靜力分析得到的應力值代入式(1)～(5)，求得5個狀態變量e2ft，e2fc，e2mt，e2mc和e2d，存儲為狀態變量.當其值超過1時，對應的場變量被賦值為1，且以后的場變量值保持不變，從而保證材料的破壞不可逆.復合材料參數與場變量關系見表2.對于膠層材料，以單元積分點最大主應力為狀態變量，同樣當其值超過膠層材料的屈服應力時，Vf6賦值為1且保持不變.

表 2復合材料參數與場變量關系

Tab.2Relations between composite parameters and field variables材料狀態材料彈性參數Vf1Vf2Vf3Vf4Vf5未失效E11 E22 E33 ν12 ν13 ν23 G12 G13 G23 0 0 0 0 0 纖維拉伸破壞0 E22 E33 0 0 ν23〖〗 0 0 G231 0 0 0 0 纖維屈曲 0 E22 E33 0 0 ν23 0 0 G23 0 1 0 0 0 基體拉伸開裂E11 0 E33 0 ν13 0〖〗 0 G13 0 0 0 1 0 0 基體壓縮開裂E11 0 E33 0 ν13 0 0 G13 0 0 0 0 1 0 分層失效E11 E22 0 ν12 0 0 G12 0 0 0 0 0 0 1復合材料π接頭的漸進失效分析流程見圖4.

圖 4漸進失效分析流程

Fig.4Flow chart of progressive failure analysis

該流程的具體步驟為

(1)給定初始拉伸載荷T=0；

(2)載荷增加ΔT，根據上一載荷下材料的場變量獲得材料參數組裝結構剛度矩陣，初始時材料無失效；

(3)進行隱式靜力分析求解材料退化后的應力場分布；

(4)判斷膠層是否失效，若失效，則Vf6被賦值為1，改變材料屬性，存儲場變量作為下一載荷材料退化的標志；

(5)根據失效準則判斷復合材料是否失效及失效形式，再對照表2進行材料彈性參數調整，存儲場變量作為下一載荷材料退化的標志；

(6)重復步驟(2)，直到載荷達到預定值時結束.

圖 5拉伸載荷作用下無

接頭載荷-位移

曲線

Fig.5Loaddisplacement curve of π joint under tensile load3結果與分析

數值模擬考慮以下3種不同的情況：(1)復合材料和膠層材料均為線彈性材料，即不考慮材料的失效；(2)僅考慮復合材料的失效，而膠層材料仍為線彈性；(3)同時考慮復合材料和膠層的失效.3種情況下數值模擬得到的載荷-位移曲線見圖5.

3.1復合材料層合板的失效

圖6（圖中顏色較深的區域表示失效區域）給出考慮復合材料和膠層失效情況下，載荷為2.00 kN時π接頭出現的初始失效.可見L形板的圓角處是初始失效部位，初始失效形式有基體拉伸開裂和分層失效等.試樣的試驗情況表明，發生初始失效的載荷為2.12 kN，初始失效發生在拐角處.與試驗結果相比，可知初始失效載荷值的計算誤差小于6%，失效部位一致.

(a)初始的基體拉伸開裂

(b)初始的分層失效

圖 6π接頭的初始失效部位

Fig.6Initial failure position of π joint

隨著載荷的增加，失效區域不斷擴展.試驗結果表明試樣完全破壞的載荷值為5.7 kN.圖7所示為在5.0 kN和5.5 kN的拉伸載荷下接頭的變形.在5.5 kN時，接頭與蒙皮的連接處突然出現很大的變形，說明此處層合板的破壞使得結構剛度下降很大，也可從圖5的載荷-位移曲線看出.因此，可判定結構在5.5 kN時發生最終破壞，與試驗數據偏差小于4%.圖8（深色區域是失效區域，圖9~11也用相同顏色表示）是在5.5 kN時，L形板、U形板和填料的Vf3和Vf5的分布圖，可知，填料和拐角處大部分層合板都失效，而由于此處層合板的失效，膠層因承受過大的載荷也會發生失效.(a)5.0 kN時接頭的變形(b)5.5 kN時接頭的變形圖 75.0 kN和5.5 kN載荷下π接頭的變形

Fig.7Deformation of π joint under 5.0 kN and 5.5 kN load

(a)5.5 kN時Vf3分布(b)5.5 kN時Vf5分布圖 85.5 kN載荷下Vf3和Vf5的分布

Fig.8Distribution of Vf3 and Vf5 under 5.5 kN load

圖 92.5 kN時膠層開始出現失效

Fig.9Initial failure of adhesive layers under 2.5 kN load

圖 105.5 kN載荷下膠層1的失效區域

Fig.10Failure zone of adhesive layer 1 under

5.5 kN load圖 115.5 kN載荷下膠層3的失效區域

Fig.11Damaged zone of adhesive layer 3 under

5.5 kN load

3.2膠層的失效

如圖9所示，膠層初始失效發生在2.5 kN時，由圖5也可看出曲線在此出現分叉.隨著載荷的增加塑性區擴展，在5.5 kN時膠層并未完全失效，但是，在連接L形板、U形板、填料和一形層的區域，膠層完全失效，見圖10和11.膠層1連接L形板、U形板、填料和一形層的區域完全失效，膠層3靠近拐角處的區域也完全失效.

圖5的曲線表明在考慮膠層的失效所得到的結果與不考慮時存在較大的差異.這是由于膠層一旦失效引起應力分布的變化，導致失效形式發生改變.同樣，當層合板發生失效時，膠層將傳遞更大的載荷，從而導致失效.膠層失效和復合材料層合板失效相互影響.可見，考慮膠層的失效可更準確地計算高應力區域層合板的應力分布，從而可更準確地預測層合板的失效.

4結論

基于Abaqus編制復合材料π接頭剛度退化程序，用于該結構在給定加載方式下的失效分析，計算結果表明：

(1)采用Hashin準則和Ye分層準則作為復合材料失效判據，并將理想彈塑性材料模型作為膠層材料模型，可有效進行復合材料π接頭結構的漸進失效分析，并從工程角度對其初始失效位置、初始失效載荷和最終失效載荷等關鍵指標進行判別.

(2)比較不考慮和考慮膠層失效2種計算工況的結果，可知考慮膠層失效能更準確地計算復合材料π接頭高應力區域的應力分布，從而更準確地分析接頭失效形式.

(3)復合材料π接頭L形板的圓角處、填料和一形層是高應力區，初始失效發生在L形板圓角處；隨著載荷的增加，失效區域不斷擴展；整體結構最終失效是L形板和填料的失效；基體拉伸破壞是主要的失效形式.

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篇4

關鍵詞：碳纖維；復合材料；應用

0 前言

碳纖維復合材料自20世紀50年代面世以來，以其獨特的性能，主要用于火箭、航天、航空等尖端科學技術，隨著碳纖維復合材料性能的不斷完善和提高，目前在土木工程、航空航天、石油化工、交通運輸、體育產品等領域得到廣泛應用。

1 碳纖維復合材料的性能

碳纖維是由碳元素組成的特種纖維，其含碳量一般在90%以上。碳纖維材料有其獨特的性能，包括：強度高，是鋼鐵的5倍；耐熱性好，可以承受2000℃以上的高溫；密度小，是鋼鐵的1/5；熱膨脹系數低，在溫差變化較大的情況下，變形量較低；抗熱沖擊性能也很好；耐腐蝕性能好，能耐硫酸等強酸的腐蝕；抗拉強度好，能達到鋼的7～9倍。

2 碳纖維復合材料的應用

2.1 土木建筑領域的應用

水泥在土木建材領域中用量最大，但水泥也有諸如脆性大、抗拉強度低等缺點，而現在用混凝土或水泥做基體制成的碳纖維增強復合材料，克服了水泥強度低、在混凝土中易開裂、易受到氯鹽、硫酸鹽等侵蝕的缺點，在冬季及寒冷地區有很大的應用空間。在大型建筑中，鋼筋的使用量相當驚人，國家體育場“鳥巢”的鋼筋綁扎量達到5.2萬噸，施工量大，運輸、安裝費時費力，如果采用自身較輕的碳纖維，可以大大降低建筑結構的重量，方便施工，減少安裝時間，降低施工周期[1]。用碳纖維和樹脂制成的碳纖維復合材料片，拉伸模量高、拉伸強度大，廣泛應用于加固受損的鋼筋混凝土結構物[2]，用在石油平臺上可使石油平臺壁的耐沖擊性能大大增強。

2.2 航空航天領域的應用

航空工業最早大量采用碳纖維復合材料。在航空工業中，飛行器的質量輕，就意味著油耗的降低，速度的加快，碳纖維強度高、密度低、變形量低的特點決定了碳纖維是理想的航空材料。美國波音公司的787飛機，機體大量采用碳纖維材料，質量比傳統的鋁合金機體減輕近20%，耗油量大大降低，碳排放量每年可減少2700噸，被譽為“綠色客機”。歐洲空客公司A380客機上的機艙內壁板、后機身蒙皮、水平安定面等都由碳纖維復合材料制成。美國的“超級大黃蜂”戰斗機、法國的“陣風”戰斗機、歐洲的“臺風”戰斗機都大量使用碳纖維復合材料。碳纖維復合材料在航空工業上有著巨大的應用潛力[3]。

碳纖維復合材料可以減輕火箭和導彈的重量，加大火箭和導彈的射程，提高落點的精度[4]。美國的戰斧式巡航導彈和三叉戟-2型導彈的發動機殼體采用的就是碳纖維復合材料。我國早在上世紀八十年代就在某型海防導彈上成功采用了碳纖維復合材料，使導彈的射程增大?！疤鞂m一號”上的相機支架組件就是采用了由哈爾濱玻璃鋼研究院研制的碳纖維復合材料。人造衛星展開式太陽能電池板也多采用碳纖維復合材料制作。目前碳纖維復合材料作為結構隱身材料也已經得到了某些應用[5]。

2.3 石油工業的應用

美國經過多年的努力，在20世紀90年代初研制成功了碳纖維復合材料連續抽油桿，試驗結果表明: 碳纖維復合材料連續抽油桿克服了普通鋼抽油桿質量大、能耗高、失效次數多、活塞效應大、作業速度慢、易磨損的缺點，是一種很有發展前途的特種抽油桿[6]。近來亞洲第一大石油公司中國石油天然氣股份有限公司計劃大力發展碳纖維產業,拓寬碳纖維復合材料的應用領域,不斷向高端市場延伸，特別是海上鉆井平臺,目前每個平臺要使用鋼材8萬噸,如果改用復合材料,則每個平臺僅消耗1.3萬噸的碳纖維復合材料。深海油氣田將是碳纖維復合材料發揮作用的重要領域。

2.4 汽車工業、高速列車及體育用品中的應用

碳纖維擴大應用的最大希望在于在汽車工業的應用。在汽車車身、零部件中使用碳纖維復合材料，不但可以降低汽車的重量，而且可以更加經濟環保，降低油耗。洛克希德馬丁能源研究所（Lockheed martin Energy Research）的瓦倫（David Warren）統計過，如果每一輛北美的汽車用2.2kg碳纖維，那北美1800萬輛小車的碳纖維總量就超過當前全球大絲束碳纖維總生產能力的4倍[7]。美國通用汽車公司和帝人公司日前宣布將聯合研制應用在汽車上的先進碳纖維復合材料。碳纖維復合材料剎車片主要用于高速列車，是碳纖維復合材料的又一重要應用。日本、法國已經成功地將碳纖維復合材料剎車片應用于新干線和TGV高速列車制動，德國Knoor Bremse公司也研制出了高速列車用碳纖維復合材料盤型制動器。隨著我國高速列車的飛速發展，碳纖維復合材料剎車片有著廣闊的發展空間。碳纖維復合材料在運動器材中也得到了廣泛應用。包括高爾夫球桿、網球拍、滑雪板、釣魚竿、自行車架、冰球拍、船槳、賽艇等，都已經形成了成熟的市場。

3 結語

目前我國碳纖維復合材料發展迅速，在大飛機、高速列車等項目上都有著巨大的需求，但我國碳纖維復合材料的發展與發達國家相比還有很大差距，碳纖維復合材料還需要大量進口，在碳纖維的低成本上和復合材料成型技術上我們還要花很大的力氣。

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篇5

2、與傳統金屬部件相比，疲勞和腐蝕的影響較小。

復合材料種類：

1、玻璃纖維

目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。由于高強度玻璃纖維性價比較高，因此增長率也比較快，年增長率達到10％以上。高強度玻璃纖維復合材料不僅應用在軍用方面，近年來民用產品也有廣泛應用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預警機雷達罩、各種高壓壓力容器、民用飛機直板、體育用品、各類耐高溫制品以及近期報道的性能優異的輪胎簾子線等。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料，用其增強酚醛樹脂可制成各種結構的耐高溫、耐燒蝕的復合材料部件，大量應用于火箭、導彈的防熱材料。迄今為止，我國已經實用化的高性能樹脂基復合材料用的碳纖維、芳綸纖維、高強度玻璃纖維三大增強纖維中，只有高強度玻璃纖維已達到國際先進水平，且擁有自主知識產權，形成了小規模的產業，現階段年產可達500噸。

2、碳纖維

碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導電等一系列性能，首先在航空航天領域得到廣泛應用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據預測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領域將會大規模采用工業級碳纖維。1997～2000年間，宇航用碳纖維的年增長率估計為31％，而工業用碳纖維的年增長率估計會達到130％。我國的碳纖維總體水平還比較低，相當于國外七十年代中、末期水平，與國外差距達20年左右。國產碳纖維的主要問題是性能不太穩定且離散系數大、無高性能碳纖維、品種單一、規格不全、連續長度不夠、未經表面處理、價格偏高等。

3、芳綸纖維

篇6

在航空制造業中，基于CAD模型的產品設計與制造已經成為主流模式。作為新一代的CAD技術，基于模型定義（ModelBasedDefinition，MBD）技術在航空工業的應用越來越流行[1]。MBD的核心在于以一個集成化的3D實體模型作為單一數據源頭攜帶貫穿產品全生命周期所需的各種信息?；贛BD的制造模式一經推出，就被認為是航空工業革命性的變革，在這一數字化浪潮中，航空工業面臨前所未有的挑戰和機遇，如何利用MBD技術帶來的發展契機，重塑航空制造流程成為工程領域研究的熱點問題。目前，航空器上的復合材料結構正朝著大型化、整體化的方向不斷發展，復合材料的用量已經成為衡量航空器先進性與安全性的重要標志。復合材料結構的制造依賴過程控制，需要定義工藝設計、成型工藝裝備、設備控制和檢驗所需的模型。因此研究面向制造的復合材料結構的三維集成化實體模型是航空制造業能否順應MBD這一新制造模式發展潮流要解決的關鍵問題之一。制造模型是制造數據鏈的核心，是設計意圖表示的唯一載體，是制造企業完成產品制造及檢驗的唯一依據[2]。MBD模式下制造模型（工藝模型）的定義、表示和應用是學者與工程技術人員研究的重點。文獻[3]指出在MBD模式下，產品的設計制造數據都應該以結構化形式集成到CAD模型中以更好支持產品全生命周期各個階段的活動，在此基礎上提出一種基于質量功能展開的MBD模型應用方法。文獻[4]研究了基于MBD的三維數字化制造體系，分析了基于MBD的數字化定義技術、工藝設計與仿真技術、工藝裝備設計制造集成技術、數字化檢測與質量控制技術和產品數據管理系統集成技術。文獻[5]提出一種利用加工知識創建基于MBD的工藝模型的新方法。文獻[6]針對機加工藝的典型特征，以工藝MBD模型為基本單元，利用加工特征作為載體將幾何與工藝信息集成，建立了面向工藝的MBD模型。文獻[7]結合鈑金零件成型特點，分析了鈑金零件數字化制造模型的結構、組成及各個狀態的定義。文獻[8]針對當前的MBD模型缺乏基于特征的模型數據表示而不能很好應用于制造領域的現狀，從模型重用的角度提出一種基于加工特征的多層次結構化的MBD模型表示。文獻[9]指出識別和理解幾何設計意圖是MBD模型重用的關鍵，進而提出一種擴展的三維注釋標注方法以顯式傳遞幾何設計意圖。文獻[10]研究了基于MBD的裝配工藝數據模型，分析了其中的信息種類和具體組成以及數據來源。綜上所述，基于MBD的制造模型涉及鈑金件、機械加工件、裝配模型等，但較少涉及航空制造領域比重越來越大的復合材料，這與航空制造技術的發展潮流不相匹配。針對這一現狀，開展基于MBD的復合材料制造模型研究。

2數字化制造對MBD技術的需求

復合材料結構的數字化制造要求從產品制造全過程不同階段的不同需求來全面描述產品的工程信息，而數字化制造對產品建模提出的新要求根源于復合材料結構制造的兩個工程特征。（1）復合材料結構的強可設計性和“增材制造”特性要求3D集成化的模型表示。在復合材料結構的設計過程中，考慮承載、環境以及功能需求等設計因素，復合材料結構通常設計得厚度不均，鋪層形狀各異，不同形式的材料混雜如樹脂基玻璃纖維鋪層與樹脂基碳纖維鋪層混合等。這體現了復合材料結構的強可設計性，但對模型的表示也提出了更高的要求。傳統的復合材料數字化制造模式中，3D模型表示結構的幾何，而鋪層等細節設計意圖通過2D圖紙的形式表示，造成產品數據源的分離，不僅不利于對產品數據的管理，還為工藝人員帶來沉重的根據2D圖紙上的尺寸信息從3D模型上重新設計工藝鋪層的任務。而MBD技術采用3D標注加三維模型表達方式，可以更加清晰、完整地表達復合材料結構的設計思想，同時尺寸、公差、鋪層等制造信息的集成表示具有更強的表現力。復合材料結構鋪疊成型的“增材”制造模式依賴對3D幾何模型的曲面展開，同時相應的工裝設計也需要在3D設計模型的基礎上進行相應的擴展和修正，才能得到最終的3D工裝數模。復合材料結構的成型工裝是設計數模面向制造的延拓，需充分考慮成型前后鋪層的厚度變化、壓力場與溫度場對工裝型面修正的影響。以集成化3D實體模型表示復合材料成型工裝并使之與設計數模關聯，將有效加強產品數據的管理。因此，復合材料結構的設計制造特性易于與MBD技術融合。（2）復合材料結構成型的多工序性要求面向工藝過程表達的中間模型。復合材料結構制造過程由工藝準備過程和工藝過程兩個鏈組成。在工藝準備過程中，設計數模表示的是最終零件的成型態，而復合材料結構大型化和整體化的特征造成成型時通常不能一步成型出最終的設計態。在工程實踐中，根據復合材料結構的特點，對工藝過程進行適當的劃分，形成復合材料結構的成型工序，通常采用先成型主體結構，再通過二次膠接或模壓共固化的方式完成構件成型，最后利用相應的夾具夾持構件，進行最終的鉆孔、修邊工作。因此在工藝準備過程中，必須對各個工藝步驟進行合理劃分，針對當前工藝步驟下的模型進行數字化定義，以便開展數字化工裝設計、數字化工藝設計、設備控制、檢驗模型設計等。在工藝過程中，工藝準備過程的模型作為依據，驅動制造的物理過程。因此，要為復合材料結構數字化制造過程提供依據，必須使用數字量表達和定義的相互關聯的中間模型。

3基于MBD的復合材料制造模型

3.1制造模型的組成分析

設計部門發放的復合材料結構的MBD模型是按照構件的功能進行定義的，僅包含了構件最終的幾何模型及其工藝信息，并不考慮構件制造的中間狀態，而復合材料結構的大型化、整體化、形狀復雜化等特征使得其制造通常是分階段的，并且每個階段都要定義相應的工藝信息，如成型精度（尺寸、公差）、固化溫度、壓力、時間、表面處理方法以及待膠接面的保護等，以保證結構最終的成型質量。同時，在復合材料結構的成型過程中，需要相應的成型工裝，膠接面加工需要裝夾定位等。這都要求對原有的設計模型進行修改（如將設計數模拆分成對應中間某個階段的幾何模型，或者為保證一些高要求的尺寸特征，增加相應的工藝鋪層等）。因此，設計MBD模型難以直接應用于數字化工藝設計。通過對復合材料結構成型工藝過程進行分析，考慮復合材料結構成型過程中的典型狀態，分析了制造模型的組成，如圖1所示。初始模型，主要作為預浸料數控下料、成型工裝設計的依據。初始模型以設計模型為數據源，結合工藝特征，利用數字化設計、計算機仿真和專家經驗設計構建。下料數據通過對設計模型曲面展開得到，其形狀直接影響復合材料結構幾何形狀的準確度，一般都通過曲面擴展的方式留有工藝余量；針對不可展曲面，需對初始模型進行有限元仿真，根據有限元網格的變形情況，確定剪口的方式；特別地，對尺寸大或曲面復雜的構件必須進行鋪層分塊，而鋪層分塊的方法和搭接方法依賴對初始模型的有限元仿真結果，最終建立完整的3D鋪層模型作為初始模型的有機組成部分。在設計模型的基礎上，考慮成型過程的物理環境，通過有限元仿真確定溫度場和壓力場，以此為依據結合已有的專家經驗，對模具型面進行相應的修正，最終模具的3D集成化模型（幾何模型+制造工程信息）是初始模型的重要組成部分。中間模型，主要用于夾具設計、數控程序設計、檢驗量具設計、表面處理工藝參數設計等，包括組成復合材料結構的小件的3D集成化實體模型，復合材料結構的主體部分與小件的膠接或共固化等幾何形狀與制造工程信息的集成模型和小件或主體部分的精度檢測模型。最終模型，主要應用于檢驗模型設計，數控程序設計的3D集成化模型。利用該模型對成型的復合材料主體結構添加相應的設計孔特征，關鍵裝配面精度保證的數控加工程序設計，如銑端面等，并對結構預留的工藝余量進行切邊去除。

3.2基于MBD的制造模型定義

在傳統的復合材料結構數字化制造過程中，產品信息的關聯性差，設計數模、工裝數模、2D工裝制造圖紙、3D鋪層模型、2D的鋪層排樣數據，以及2D數字化工藝設計中的成型參數等工程信息緊密相關但以散亂、各異的形式存在于制造過程中，為企業的產品數據管理帶來巨大的挑戰?；贛BD的制造模式下，復合材料結構的制造模型以3D模型為載體，將制造工程信息，如尺寸公差，形位公差、表面處理方法、固化溫度、壓力、時間等工藝設計信息與3D模型緊密關聯。通過對復合材料工藝設計過程涉及到的信息以及工藝設計信息與模型之間的關系進行分析，結合復合材料結構的成形工藝特點，利用各個階段模型之間的關聯性確定了制造模型組成部分之間的相關關聯。制造模型定義采用“階段劃分-模型定義-模型優化”的迭代模式生成。制造模型的定義不僅依賴MBD這一先進的數字化設計制造理念，更需要企業在長期生產實踐中積累的大量工藝知識。在CATIA、FiberSIM等先進數字化軟件平臺的支持下，根據企業積累以及自身特色形成的復合材料制造工藝知識庫，通過制造模型階段劃分、建立了基于MBD的復合材料結構制造模型，如圖2所示。實體層，定義了模型的3D幾何形狀，作為非幾何信息（尺寸、公差、固化條件、材料信息）的載體，是工裝設計、預浸料下料數據的源數據。擴展層，定義了3D標注信息，主要包括尺寸、公差、注釋、表面粗糙度、形位公差、裝配、檢驗、測試和材料等制造工程信息。其中注釋定義了構件的表面處理、工藝要求等，標記定義了裝夾、定位基準等。擴展層標注到3D幾何模型上，直接在3D環境中顯示，可通過多視圖管理實現相應信息的選擇、縮放、隱藏和顯示等操作。應用層，是基于3D幾何模型和擴展層的應用，以兩者作為基礎面向整個制造流程的應用，如成型工裝設計制造、檢驗工裝設計制造，預浸料下料數據以及鋪層的激光投影數據的生成、機械加工的數控程序設計，裝夾定位工裝的設計制造，表面處理方法等。應用層的信息以索引的方式與擴展層、實體層關聯，需要根據企業自身特點進行上述信息的組織顯示。

3.3基于MBD的制造模型在復合材料數字化制造中的應用

傳統的復合材料數字化制造往往側重制造過程的某個環節，缺乏對整個制造過程所涉及的所有環節的系統考慮。基于MBD的復合材料制造模型以集成化的3D模型表示將復合材料成型各個環節緊密結合在一起，是先進復合材料制造體系的有機組成。從系統學的角度而言，以制造模型為核心的復合材料數字化制造體系對復合材料制造的各個環節進行了嚴密的數字化定義，以數字量傳遞和控制成型模具設計、檢驗設計、制造指令設計、工藝參數設計等，實現了快速、精密、高質量成型，有效降低了生產成本和縮短了制造周期?；贛BD的復合材料制造模型應用方案，如圖3所示。

4結束語

篇7

家具設計應在物質技術條件的基礎上，與材料、結構、工藝密切結合，盡量做到材料多樣化，產品標準化，零部件通用化，使所設計的產品與現有的技術裝備及工藝水平相適應，避免設計與生產實際脫節。同時，物質技術條件是實現使用功能要求和造型藝術的重要保證。

2木塑復合材料的設計屬性

2.1外觀屬性

材料的外觀屬性通常包括形態、色彩、肌理等方面。木塑復合材料大部分是擠出成型的，因此可以制造出凹凸的肌理，使其富有特殊的裝飾效果（圖4），但大多數情況下只能呈現直線狀態[4]。木塑型材的通孔設計（圖5）一方面可以豐富木塑復合材料的形態特征，使其呈現多變的斷面形態，同時可以減輕重量，從而節約成本。在木塑復合材料中加入著色劑[5]，不僅能使木塑制品顯示出各種各樣的色彩外觀（圖6），而且也可以改善其耐候性。隨著對木塑復合材料的深入探究以及技術的突破，木塑產品表面還可以制成類似木材的紋理和色澤，營造溫暖親近的感覺。此外，木塑復合材料還可以覆蓋塑料表層[6]，增加材料顏色的多樣性和耐潮濕性。

2.2加工性能

目前，木塑復合材料的成型工藝主要有三種：擠出、熱壓和模壓。擠出成型憑著工藝簡單，而且加工周期短、效率高，與其他加工方法相比，更廣泛地應用于工業化生產中。木塑復合材料采用的主要連接方式有以下三種：膠接、焊接和機械連接。機械連接有連接件連接、鋼釘連接和復合材料專用螺釘連接，相關實驗表明，螺釘連接的木塑構件可以進行多達十次的拆裝[7]。

2.3其它性能

木塑復合材料同時具有耐磨、耐腐蝕、防水和尺寸穩定性好等優點。在制造過程中加入阻燃劑，可使木塑復合材料具有一定的阻燃性，因此，可將其應用在具防火要求的公共家具設計中。此外，木塑制品本身同時具有可回收性、良好的經濟性和環保性。比如在北京奧運會的工程建設中[8]，就大量利用了這種環保的木塑復合材料（圖7）。

3木塑公共家具設計實踐

3.1木塑露天桌椅

在加工過程中添加了阻燃劑的木塑復合材料具有優良的阻燃性能，適用于公共場所。這里把木塑復合材料設計成長短不一的條狀板，以點、線、面的概念，構成木塑露天桌椅（圖8）。整套桌椅統一采用金屬作為底架，條狀木塑板作為面板材料，營造出空間環境的整體感。在材料上，木塑復合材料的凹凸肌理與金屬的精致肌理形成對比，木塑復合材料的溫暖感與金屬的冷峻感形成視覺感受上的對比。同時，不同色彩的金屬與木塑復合材料的組合也可呈現出不同的視覺效果（圖9），為人們的公共場所營造出溫暖、清新、自然的現代感。在結構上，零件之間采用可拆裝的螺釘連接，既方便安裝，又可以降低運輸成本。另外，玻璃下層可置菜單或廣告單（圖10），便于現代商業化宣傳。

3.2木塑書架

這款供圖書館使用的六層雙柱雙面木塑書架（圖11），在外觀造型上，立柱部分處理成深色，旁板和層板處理成淺色，進行深淺色彩搭配，以塑造書架的平衡感。立柱設計成四面均帶凹槽的結構，用于旁板的嵌入，既方便使用時的安裝，同時使凹凸肌理成為一種裝飾。立柱頂部的裝飾件采用模壓技術制成，可標準化批量生產。在加工工藝上，書架的立柱、旁板和層板均采用擠出成型工藝進行生產，利用木塑復合材料的凹凸肌理完成立柱與旁板、旁板與擱板的搭接（圖12），減少了五金連接件的使用。在功能上，結合人體工效學原理，考慮到旁板橫向凹凸肌理的需要和擠出成型工藝中幅面的限制，將旁板設計成多段拼搭結構，根據書籍的尺寸大小，其凹凸肌理按照比例進行合理設計，利于層板的高度調節，方便圖書館中不同尺寸大小的圖書擺放。此外，旁板的雙面凹凸肌理設計，使相鄰兩書柜柜體共用同一塊旁板，一方面可根據室內空間的大小對書架數量進行調整，滿足其在功能上的延伸，同時可充分利用空間資源，有效降低生產成本。

3.3等候椅與花壇

據調查，生活中等候場所（如火車站候車廳）的候車椅大部分為金屬材質，這種材質雖強度較高，但因候車場所一般人流量比較大，對家具的耐久性自然要求比較高，金屬表面掉漆以及生銹等后期維護工作并不易進行。并且金屬制等候椅常給人冰冷的視覺感受，其舒適性也有待提高。相比較而言，木塑復合材料繼承了木材和塑料的雙重性質，具有溫和自然的視覺和觸覺感受，且它的強度并不遜于金屬。因此可將其運用于人流量比較大的公共場所，進行如下設計。這款木塑休息椅（圖13）刪繁就簡，沒有多余的裝飾，造型簡潔。等候椅底部為金屬支架，椅面為木塑材料組成的等腰梯形。等腰梯形的座面設計是為了便于使用者根據空間大小來調節休息椅的長度（圖14），利用等腰梯形的特性，休息椅的長度延伸可以更顯自然。在色彩上，木塑復合材料在生產過程中通過增加著色劑可以造出各種色彩的產品，這款公共場所的休息椅正是運用這一特性，設計出彩虹般色彩的椅子，為等候場所增添幾分色彩和樂趣。結構上采用螺釘連接。此外，設計的配套花壇（圖15），既可以給等候場所帶來幾分自然的氣息，還保護了座椅的端面。花壇的數量可根據場所需要自由調整（圖16）。

4結語

篇8

1996年在法國巴黎舉行的第31屆歐洲復合材料大會(JEC)決定:1997年的歐洲復合材料大會將與“先進材料與加工工程科學”大會——SAMPE同時同地共同舉行。使全世界的有關專家共同討論復合材料高技術問題，也避免分開舉行在時間和經濟上的浪費。

現將會議上的幾個主要議題介紹如下。

一、新材料的開發與材料應用

材料在人類生存、發展和科技進步中的重要作用不闡自明。人類社會在經歷了石器時代、銅鐵器時代、合成材料時代后進入了當今的復合材料時代.

新材料、新技術的發展經常是從軍事工業開始而后轉入民用。新型航空航天器、作戰武器和各種新技術往往對材料提出某些特殊的需求，如耐高溫、耐高壓、超高真空、高比強度、高比剛度等，供應商為滿足這些要求，而研制生產出如T1000這樣具有7000MPa的抗拉強度和M60J這樣具有590GPa的拉伸模量的碳纖維，以及耐高溫的金屬基或陶瓷基復合材料。然而，對于民用產品來講，更多考慮的是性能/價格比和產品的市場競爭力。根據此次的歐洲復合材料大會CEPP出版物載文統計，就整個復合材料工業而言，對“高性能復合材料”需求的增長遠遠低于民用工業常用的復合材料。在1995年歐洲消費的1300萬噸復合材料中，高性能復合材料僅占0.38%，其余絕大部分是玻璃纖維增強的復合材料。其中玻璃纖維用戶在運輸業占23%，建筑業占20%，電子電氣占 17%，工業器材占20%，體育、娛樂及消費品占14%，軍事及其它僅占6%～7%。據分析，由于當前對軍費的限制，先進復合材料及其在軍事上的應用不會一帆風順。在1994年出現的玻璃纖維極度匱乏之后，生產廠家決定增加玻璃纖維的產量，1995年僅歐文斯考寧(Owens Corning)一家公司就增產10萬噸。

隨著玻璃纖維復合材料在民用工業上應用愈來愈廣，玻璃纖維的品種也日益增加。改進纖維的組分即可提高纖維強度，R、S或T型玻璃纖維的強度就比普通E型玻璃纖維高30%。維脫泰克斯公司(Vetrotex)的團泰克斯(Twintex)纖維就是由玻璃纖維與熱塑性材料混雜的纖維. 這種纖維適用于纏繞制品和增強熱塑性樹脂模壓制品(TRE)。這種TRE制品強度是傳統TRE制品的3 倍，其單向纖維制品強度為傳統TRE單向纖維制品的7倍。這種纖維復合材料已用于制作消防隊員頭盔及聚丙烯蜂窩夾層運輸板等.

高性能纖維除碳纖維、芳綸纖維外，芳香族聚酰胺(它象芳綸一樣具有準液晶性質)是高技術纖維。此外，單向聚丙烯纖維復合材料具有低密度和優良的機械性能。

對于常用的熱固性及熱塑性樹脂這里就不多做介紹。值得注意的是各家都提到減少固化過程中苯乙烯的釋放以保持環境的措施:制造一種膜覆蓋于固化物表面抑制固化中苯乙烯的揮發或使用一種以雙環戊二烯為基的樹脂。

另外，有的廠家還介紹了熱固性樹脂的循環使用問題:回收廢舊復合材料制品，把它們搗碎用于鋪路或用做熱塑性樹脂的增強物。

埃爾夫阿多凱姆公司(ELF ATOCHEM)介紹了他們的結構膠粘劑TOPFIX。這種膠粘劑在 80℃可保持其機械強度及密封性，從而代替傳統的焊接、鉚接和螺接;它與脫模劑相容，因而不必對被粘物進行表面處理;用高頻介電損耗法可使膠帶在45秒內固化，比在烘箱固化省時，節能90%，此膠主要用于汽車等交通運輸業。

挪威JOTUN公司推出了能防止不飽和以及聚酯復合材料在超紫外線照射下發黃的新型膠膜和苯乙烯放出率很低的膠膜。

二、復合材料新工藝

對于樹脂基復合材料，除了眾所周知的成熟工藝手糊成型、鋪層壓制、模壓、樹脂傳遞模塑、纏繞、噴射、拉擠、編織等工藝外，會上介紹了一種灌注模塑法(Infusion molding)，美國圣第亞哥加利福尼亞大學(UCSD)用此法制成了4米長的橋板，強度比水泥件增加88%，重量僅為水泥件的1/6; 還有人用此法制成了21米長的冷藏鐵路罐車，具有良好的保溫性能.

灌注模塑法可很經濟地生產大型整體構件且不污染環境。

另據報道，法國宇航公司等9家歐洲公司接受了歐洲Technicoplis研究機構的一項預研項目， 目的在于探索用離子束照射法代替烘箱和熱壓罐來固化成型復合材料制品。法國宇航公司的“空間與國防分部”曾做過這方面的研究。另外，在Unipolis的阿奎坦那廠(Aquitaine)擁有可處理長10 米、直徑4米的復合材料構件的世界上最大的性能優異的設備。在此設備中，電子加速器代替了傳統的爐子和烘箱。在不升高溫度且十分經濟的條件下使大厚度、大尺寸的構件聚合固化。這種設備就象一臺工業微波爐!在Technopolis預研項目中準備試驗多種復合材料的固化工藝以估價此方法的效果。德國“奔馳”宇航公司準備做一個環氧復合材料的火車轉向架，法國歐洲直升機公司準備做一個碳/雙馬樹脂的直升機構件，意大利的潛艇公司準備生產一個玻璃/聚酯艇艙。從以上 1∶1試驗件生產研制過程可探索此種“高級微波爐”的優點及用于不同種類纖維、樹脂復合材料的工業生產的可行性。此項工作自1991年開始已取得進展。

三、復合材料生產設備與自動化

復合材料制品的生產設備與自動化程度取決于所采用的材料與工藝。一些高技術產品因其結構復雜，需采用手糊、鋪層、接觸模壓等工藝，其設備的自動化程度都很低。而壓制、噴射、反壓擠拔及樹脂傳遞模塑等軍用工業技術設備自動化程度都越來越高，配合原材料的質量控制使制品機械性能和外觀(如加色)都有很大改進。還出現了一些用于噴射、熱塑增強模壓、樹脂傳遞模塑法的控制軟件。另外，AEO公司推出了可以改進碳復合材料或其它復合材料生產過程的雙流熱匯系統(hydrothermic double flux system)。

四、發揮航天優勢，在復合材料應用技術的“軍轉民”上下功夫

航天工業是高科技產業，代表著尖端技術。新型航天器的挑戰性需求永遠是科學技術發展的引導力量。隨著世界冷戰狀態的結束，改革開放的形勢，要求航天事業不僅僅是面向軍品，更要面向國民經濟主戰場。要把航天的技術、人才優勢和研究成果轉向為四個現代化做貢獻，即“軍轉民”。

“軍轉民”關鍵在一個“轉”字。首先要轉變僅僅“吃皇糧、干軍品”的思想，也要轉變“大軍品、小民品”的觀念。航天工業應是軍民共茂、“兩個輪子一起轉”的高科技產業，要用我們千方百計攻尖端、搞軍品的勁頭千方百計地把民品也搞上去。

篇9

1優化策略

采用結合RSM和遺傳算法的兩級優化策略，對復合材料加筋板進行非線性結構響應約束條件下的優化設計。

1.1一級優化分級優化策略的第一級，以結構的幾何尺寸為設計變量，以線性屈曲及后屈曲承載能力為優化響應，對結構進行優化設計。由于復合材料加筋板后屈曲特性的復雜性，這里直接給出一級優化的普遍優化模型是不恰當的，優化模型中具體的設計變量，優化約束與目標函數的選擇應該根據具體的算例而定，但考慮復合材料加筋板后屈曲特性的優化設計一般希望達到以下優化效果：首先，加筋板在發生屈曲之后具有比較好后屈曲承載能力即最大化結構的極限載荷；其次，加筋板不應發生過早的局部屈曲，即結構的一階屈曲特征值不能過低，當使用控制位移的方式加載時，要求結構屈曲位移bS與結構極限載荷位移cS的關系如式（1）[15]所示。(1)最后，在保證結構屈曲承載能力的基礎上盡可能地降低結構質量。一級優化包括三個關鍵步驟。1)分析模型建立及靈敏度分析建立初始設計屈曲及后屈曲分析模型，通過實驗驗證分析模型的準確性，這是決定優化效果的最基礎和關鍵的步驟。確定分析模型準確性之后需要對結構進行參數化建模，并對模型進行靈敏度分析，通過靈敏度分析觀察不同設計變量對于結構響應的影響，可以為優化過程中樣本點的選取提供依據，同時可以用于指導優化設計以及驗證優化設計結構的合理性。2)全局近似函數的建立采用RSM在保證精度的條件下以最少的樣本點建立幾何尺寸關于結構響應的全局近似函數，這是整個優化過程中計算成本最大的步驟，但是和在優化過程中直接調用有限元軟件計算結構響應相比可以大大降低計算成本。優化設計的準確性依賴于響應面的精度，而響應面的精度依賴于響應面方法的選擇及樣本點的選取。本文使用多項式響應面模型，基于最小二乘法進行擬合。樣本點的選取方法應保證樣本點的高度隨機性。拉丁超立方體抽樣（LatinHypercubeSample）由MCKAY在1979年提出，它被設計成通過較少迭代次數的抽樣，準確地重建輸入分布。這里通過MATLABStatistics工具箱生成拉丁超立方體樣本點，調用參數化建模程序計算結構響應。一般樣本點的數量越多擬合精度越好，但出于計算成本的考慮，用適當數量的樣本點擬合出滿足一定精度要求的響應面是目前大多數學者使用的方法[11,16,17]。這里采用由CARRERE[16]提出的逐漸迭代方法確定樣本點數量。首先使用3(n1)個樣本點進行擬合，其中n為問題的維度，這里是設計變量的個數?；谶@些樣本點進行響應面擬合，根據響應面的擬合殘差判斷是否增加樣本點，直到響應面的精度滿足要求。全局響應面擬合結果y'和有限元計算結果y之間的殘差r可以用下式（2）表示。(2)對上式求平均值，可以得到每次迭代擬合的殘差值，增加樣本點前后殘差值收斂時即可認為響應面滿足精度要求。3)優化計算使用MATLAB優化工具箱對全局近似模型進行優化計算。同時使用了基于梯度的優化算法及遺傳算法計算優化模型。由于優化響應基于RSM建立而RSM是針對計算成本高的結構模型提出的一種近似計算方法存在不可避免的誤差[18]，需要通過靈敏度分析對優化結果進行調整。

1.2二級優化分級優化策略的第二級，保持結構幾何尺寸為第一級優化結果中的尺寸，使用遺傳算法對復合材料加筋板進行以鋪層順序為優化設計變量的細節設計。由于設計變量的離散性，無法再使用RSM方法構造結構響應關于設計變量的全局近似函數，只能通過調用分析模型計算結構響應，出于計算成本的考慮，二級優化中只考慮結構的線性屈曲性能。在一般的復合材料鋪層順序優化中[19-21]鋪層順序的優化過程實際就是不同角度鋪層的數量優化過程。而這里的鋪層順序優化為分級優化的第二級，按照常用的鋪層順序優化方法會導致板的截面尺寸發生變化，影響兩級優化之間的迭代性，這里基于解決旅行商問題的遺傳算法對復合材料鋪層順序進行優化。旅行商問題（TSP，TravelingSalesmanPro-blem）是典型的優化組合問題[22]。本文將每個鋪層視為一個城市，而鋪層順序的優化就相當于城市訪問順序的優化。通過對解決旅行商問題的遺傳算法程序進行修改，優化鋪層順序。與傳統用于優化鋪層順序的遺傳算法相比，改進算法最大的特點在于編碼方法的不同。在旅行商問題中，訪問的最后一個城市一定要與第一個城市相同，而在鋪層順序優化的編碼中并沒有這個要求。例如，若某復合材料鋪層共由10層鋪層組成[45/-45/0/0/90/90/0/0/45/-45]，給該10層分別編序號為1-10，得到待排序的鋪層列表W，對該鋪層順序按照旅行商問題啟發的方法進行編碼，其個體的編碼Coding，解碼序列Sequence及對應新鋪層如下所示。在旅行商問題中，遺傳算法的適值為兩個城市之間的距離，而在鋪層順序優化中，適值為結構響應這里即為結構的線性屈曲載荷，每獲得一個個體的編碼，解碼為復合材料鋪層，使用新鋪層修改參數化建模腳本并調用有限元程序進行計算，得到不同個體也即鋪層順序所對應的適值。交叉與變異過程按照典型遺傳算法方法處理。

1.3兩級迭代優化由于兩級優化模型的不同并且二級優化中并未考慮結構的后屈曲性能，由此需要對二級優化后的構型進行后屈曲分析，與一級優化后的結果進行比較，根據兩級優化后結構響應的差值判斷是否需要迭代優化。當兩級優化后結構各響應平均差值在10%左右，認為結構已為最優構型，無需進一步迭代優化。整個優化策略可以整理為圖1所示的優化流程圖。

2剪切后屈曲分析模型

采用ABAQUS有限元分析軟件建立復合材料加筋板后屈曲分析模型，使用Riks弧長法對加筋板的后屈曲行為進行數值模擬。采用一個四邊固定框用于對板施加面內的剪切載荷，材料為鋼，所有固定框的面外位移均約束為0，四邊相連的角點采用Pin約束，即重合角點的三個平動自由度分別相等。在板的對角分別施加簡支約束和沿對角線方向的位移，如圖2[6]所示。后屈曲分析中考慮復合材料鋪層中可能發生的五種失效形式：纖維拉伸破壞，纖維壓縮破壞，基體拉伸破壞，基體壓縮破壞，纖維-基體剪切失效。采用二維Hashin損傷判據判斷失效的發生。該判據已成功應用到復合材料結構的強度預測上[4,6,22]。判斷失效發生之后，通過對相應方向剛度的折減實現損傷演化過程。材料的剛度線性依賴于v1F-v3F三個變量，分別代表纖維失效、基體失效和纖維-基體剪切失效行為的發生，采用的是ChangandLesard’s剛度折損模型，具體折減過程如表1所示。為了有效模擬筋條和壁板之間的連接界面，引入膠層單元。膠層單元假設為各向同性材料，只考慮其z方向的正應力33和xz、yz平面內的剪應力13、23與相對應方向的應變33、13、23之間的本構關系如式(3)。界面單元的材料屬性如表1所示。采用二次應力準則Quads來判定失效的發生如式（4）所示。其中：0(,,)itinst分別為3個方向上的強度，(,,)itinst分別為3個方向上的作用力。失效發生后，即判定失效準則表達式1ocF后使用剛度折損方式模擬損傷演化，令界面單元三個方向剛度均折損為原剛度的0.01[23]，見表1。

3優化算例

3.1初始設計AMBUR等[6]對一塊復合材料雙向加筋板進行了剪切條件下的后屈曲實驗，本文取該復合材料雙向加筋板作為優化設計的初始設計，基本尺寸如圖3（a）所示。蒙皮和加筋條使用的是AS4/3501-6石墨環氧樹脂材料，鋪層順序如圖3（b）所示，0o，±45o，90o鋪層的厚度分別為0.314mm，0.150mm，0.085mm。單層復合材料剛度及強度屬性如表2所示。作為初始設計構型的復合材料加筋板在面內剪切載荷作用下的一階屈曲模態如圖4所示。屈曲失穩發生很早，主要表現為壁板中間的局部失穩。剪切后屈曲的載荷位移曲線如圖5所示，與文獻[6]中給出的實驗及分析結果對比如表3所示，對比結果表明吻合良好,由于考慮了膠層的脫膠失效，極限載荷所對應的加載位移比文獻[6]給出的結果更接近實驗結果。在局部失穩發生之后，結構在后屈曲階段仍能繼續承受載荷，最終結構的主要失效方式是界面單元失效脫膠。通過該初始構型的屈曲后屈曲分析可知，該構型的主要問題在于局部屈曲過早發生，而后屈曲承載能力相比于屈曲承載能力有很大提升，因此對于該復合材料加筋板的優化應該在保證后屈曲承載能力不變的情況下，提高結構的一階屈曲特征值，達到或者接近極限載荷所對應的位移的1/4-1/2，避免局部屈曲的過早發生。針對該初始設計選取加筋腹板高度H，加筋緣條寬度L，最外側緣條距離板邊的距離M以及單向加筋數目N為一級優化中的待優化設計變量。

3.2靈敏度分析對設計變量進行靈敏度分析，可以為設計變量的取值范圍提供一定的參考依據，同時還可用于調整優化結果。對復合材料加筋板的有限元模型進行參數化建模。各設計變量的初始參數按初始設計中模型選?。篐=50mm，L=25mm，M=40mm，N=2。選取腹板高度H的變化范圍由35mm到70mm，緣條寬度L的變化范圍由10mm到45mm，M的變化范圍由20mm到100mm，而N的變化范圍則由1到5之間。每次分析計算加筋板的線性屈曲特征值，破壞時加載端位移以及結構極限載荷，結構的質量響應W按照式（5）。

篇10

1層合結構層間應力理論分析

根據復合材料力學［14］，正交各向異性材料主方向應力－應變關系為。式（5）、式（6）和式（7）沒有封閉解，利用力和位移邊界條件通過有限差分法求解。即在xoy平面把所求區域劃分為若干相同的小正方形格子，每個格子的邊長都為h，假設某頂點0上的電位是U0，周圍4個頂點的電位分別為u1，u2，u3和u4。將這幾個點的電位用泰勒級數展開，當h很小時，忽略四階以上的高次項，并考慮協調方程聯立求解。

2復合材料層合結構數值模擬

設復合材料層合結構由4層厚度為t＝0．025m、長為2m的正方形單層板復合而成，各層鋪設角分別為0°，45°，45°，0°，其幾何模型如圖1所示，單層板材料性能參數見表1［15］，層合結構上表面受均布載荷P0＝6kPa，分析其層間應力分布規律。利用ANSYS軟件，采用SolidLayered46層單元，根據對稱性，取其建立層合板有限元模型。表2為正交鋪設層合板層間極值應力理論解與數值解對比結果，從表2中可以看出理論解與數值解吻合較好，最大相對誤差不超過8．64％，這說明本文建立數值模型的正確性。

圖2、圖3分別為0°纖維鋪設角復合材料層合板層間x－z方向和y－z方向的應力云圖，從圖中可以看出層間應力分布情況，其中固定端處層間應力數值最大，x－z方向和y－z方向層間極值應力分別為2．37MPa和1．82MPa。表3列舉了不同鋪設角下層間極值應力，從表中可以看出對稱鋪設層合板x－z方向層間應力隨著中間層纖維鋪設角的增大而減小，y－z方向層間應力隨著纖維鋪設角的增大而增大，纖維鋪設角為（0°／0°／0°／0°）時層間剪應力τxz最大，數值為2．37×106Pa，纖維鋪設角為（0°／90°／90°／0°）時層間剪應力τyz最大，數值為2．01×106Pa。圖4、圖5分別為x－z方向和y－z方向，纖維鋪設角為0°／90°／90°／0°時，層合板對角線上各點層間應力隨距離變化關系，從圖中可以看出：在距o點距離為0～1．348m，層間應力隨距離增大變化不大，在距離為1．348～1．418m，層間應力急劇增大，這表明復合材料層合板邊緣為層間應力極值點，易于發生脫層效應。

3結論