复合材料范文

导语：如何才能写好一篇复合材料，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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持续提高复合材料的性能是航空复合材料基础研究一个永恒的主题，一如“更高、更快、更强”的奥运会精神。几年前，空中客车公司就飞机复合材料技术的现状和发展方向指出，未来航空复合材料应该具有更高的韧性性质，体现在连续碳纤维增强的航空树脂基复合材料上，就是这些材料必须具备更高的压缩强度和冲击后压缩强度（CAI，Compression　After　Impact，图1），这样才能保证飞机的安全性。复合材料的压缩强度主要由碳纤维的性能决定，而复合材料的CAI性质则取决于树脂材料的韧性，特别是复合材料的多尺度、多层次结构等。

事实上，寸有所长，尺有所短，没有一种材料是“全才”，也没有一种材料是只有优点而没有弱点的。从总体上看，碳纤维增强材料作为航空复合材料产生优秀力学性能的基础，它本身的韧性就很低，导致用碳纤维增强的树脂基复合材料的韧性水平相对于许多金属材料也偏低，因此，提升结构材料、特别是先进的碳纤维增强树脂基复合材料的韧性性能当然也是航空复合材料领域永恒的研究主题。

增韧新概念的提出与实践

众所周知，玻璃易碎，但夹层防弹玻璃或车窗玻璃却不怕。为什么？就是因为在这些层状化“复合材料”的设计里，在两张薄玻璃层之间设置了一层柔性高分子的插层（如PVC胶膜），并保证两者之间良好黏结，这样，在弹击或撞击事件发生时，夹层玻璃一般不会发生粉碎性、穿透性的灾难性破坏（图2）。显然，夹层玻璃设计没有改变玻璃脆性的本质，但通过层间插入改变了整个系统对外部冲击的响应机制和破坏模式，因此就不怎么害怕冲击破坏了。

为了提升我国航空复合材料的韧性性质，特别是提高航空复合材料的冲击后压缩性质，在国家973计划项目等的支持下，北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室的材料科学家提出了复合材料层间增韧和层内增刚的新概念，在2000年前后，在“离位”层间增韧方面，初步实现在保持复合材料比刚度和比强度的同时，大幅度提高复合材料的冲击分层损伤阻抗与容限，这其中，一个关键的概念就是“离位”层间增韧技术，这个技术的形象的理解可以比照夹层防弹玻璃：为了提高比较脆性的热固性复合材料的冲击损伤阻抗，可以在连续碳纤维的铺层之间放置高韧性的热塑性树脂铺层。

实践是检验真理的标准。通过国产双马来酰亚胺树脂基复合材料各3个试样“离位”层间增韧前后的冲击分层损伤超声波C扫描照片、冲击分层损伤的投影面积以及相应的冲击后压缩强度（CAI值）的对比，比较发现，“离位”层间增韧不仅提高了复合材料抗击冲击分层的能力（冲击损伤阻抗），减少了的分层投影面积，而且也提高了复合材料的冲击后剩余压缩强度（冲击损伤容限）。

同样，国产聚酰亚胺复合材料的研究和测试结果也表明，“离位”增韧方面也有力地提升了这种高温复合材料的冲击分层损伤阻抗和损伤容限，复合材料的CAI值提升显著。对国内外其他复合材料例如环氧树脂基以及聚苯并恶嗪基复合材料冲击损伤阻抗和损伤容限的研究与测试结果证实，“离位”层间增韧技术在合适的材料热力学和动力学条件下，均可以取得比较明显的复合材料增韧改性效果。

“离位”增韧的材料科学基础

那么，这些不同化学结构的树脂基复合材料冲击损伤阻抗和损伤容限得到提高的材料学机制是什么呢？现代材料科学告诉我们，决定材料使用性能的关键不仅取决于组成这个材料体系的成分，而且取决于这个材料体系内部的多尺度、多层次的微结构，因此，根据“离位”层间增韧在连续碳纤维的铺层之间放置高韧性的热塑性树脂铺层是一回事，而得到什么样的材料微结构是另一回事。大量的基础研究工作表明，双连续、颗粒化的微观结构将有利于提高材料的冲击韧性，因为在这种结构里，裂纹的引发及其扩展必须穿越大量颗粒以及颗粒间的高韧性的“填充”材料，从而引起大量的能量消耗，换句话说，这样的微结构是一种高韧化的微结构。根据这个思路，重点实验室的科研人员通过材料热力学和动力学的研究，研制获得了这种双连续、颗粒化的热塑性高分子/热固性高分子复相微观结构，选用的树脂材料对象就是我国航空工业的主要复合材料品种（图3）。

需要指出，“离位”增韧技术的第二个条件是“定域”，就是说，必须把这种双连续、颗粒化的微观结构准确地放置在层状复合材料的富树脂的层间，并且尽可能地控制层间厚度，以保证复合材料在高增强纤维体积分数条件下的比刚度和比强度。图4所示是一个国产高温环氧树脂基复合材料的碳纤维铺层间的微结构形貌，照片中，特征性的双连续、颗粒状的环氧树脂颗粒连成了一片，层间厚度约相当于2～3根碳纤维的直径。同时我们还可以看到，这种双连续的颗粒微结构已经浅层渗透进入了碳纤维铺层内约几根碳纤维直径的深度，其后，基体树脂仍旧保持为环氧连续相。事实上，正是因为这个浅层渗透的双连续颗粒结构产生了一种“机械”咬合作用，特别是在断裂尖端张开载荷的条件下，这种咬合将产生“犁地”效应，在裂纹扩展时引发大量纤维的拔出和断裂，导致裂纹扩展或分层的阻力成倍地增长。

根据以上的观测结果，可以初步建立一个“离位”复合材料的层结构模型（图5），初始被表面附载而预置在碳纤维铺层间的热塑性树脂层经过热固性树脂的扩散、交联固化，特别是经过相分离、相反转和相粗化等一系列热力学和动力学过程，形成为一个跨层间的独特的热固性树脂连续结构，其形貌特征是连续的颗粒结构，与此同时，热塑性树脂也是连续地分布在热固性树脂颗粒之间，即“双连续”。特别是这种双连续结构的边界并不是两个碳纤维铺层的层间，而是浅层渗透进入了碳纤维铺层的层内，从而产生机械互锁效应。

概念性研究成果的工程化放大

为了将这个基础研究的成果推向工业应用，在中航工业创新基金项目等的财政支持下，重点实验室的科研人员在热熔预浸机上把“离位”表面附载技术进行了连续化放大试验，结果令人满意。由此获得的预浸料产品命名为ES?-Prepreg预浸料，北京航空材料研究院获得这个产品的注册商标。

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关键词:纳米复合材料；特性；制备技术；应用

1 引言

“纳米复合材料”的提出是在20 世纪80 年代末期,由于纳米复合材料种类繁多以及纳米相复合粒子具有独特的性能,使其一出现即为世界各国科研工作者所关注,并看好它的应用前景。根据国际标准化组织的定义,复合材料就是由2种或2种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固态材料。在复合材料中,通常有一种为连续相的基体和分散相的增强材料。由于纳米复合材料各组分间性能“取长补短”,充分弥补了单一材料的缺点和不足,产生了单一材料所不具备的新性能,开创了材料设计方面的新局面,因此研究纳米复合粒子的制备技术有着重要的意义。

纳米复合材料由2种或2种以上的固相[其中至少有一维为纳米级大小(1 nm～100 nm) ]复合而成。纳米复合材料也可以是指分散相尺寸有一维小于100 nm的复合材料,分散相的组成可以是有机化合物,也可以是无机化合物。本文在文献的基础上,针对纳米复合材料的主要性能与特点、制备技术、主要应用及应用前景等作了比较详细的介绍和展望。

2纳米复合材料的性能与特点

2. 1纳米复合材料的基本性能

纳米复合材料在基本性能上具有普通复合材料所具有的共同特点:

1) 可综合发挥各组分间协同效能。这是其中任何一种材料都不具备的功能,是复合材料的协同效应所赋予的。纳米材料的协同效应更加明显。

2) 性能的可设计性 。当强调紫外线光屏蔽时,可选用TiO2 纳米材料进行复合;当强调经济效益时,可选用CaCO3 纳米材料进行复合。

2. 2纳米复合材料的特殊性质

由无机纳米材料与有机聚合物复合而成的纳米复合材料具有独特的性能:

1) 同步增韧、增强效应。纳米材料对有机聚合物的复合改性则可在发挥无机材料增强效果的同时起到增韧的效果,这是纳米材料对有机聚合物复合改性最显著的效果之一。

2) 新型功能高分子材料。纳米复合材料以纳米级水平平均分散在复合材料中,没有所谓的官能团,但它可以直接或间接地达到具体功能的目的,比如光电转换、高效催化剂、紫外光屏蔽等。

3) 强度大、弹性模量高。纳米材料加入的有机聚合物复合材料有更高的强度和弹性模量,加入很少量( 3% ～5%,质量分数)即可使聚合物的强度、刚度、韧性和阻隔性得到明显地提高,且纳米材料粒度越细,复合材料的强度、弹性模量就越大。

4) 阻隔性能。对插层纳米复合材料能显著地提高复合材料的耐热性及尺寸的稳定性,层状无机纳米材料可在二维方向上阻隔各种气体的渗透,所以具有良好的阻燃、气密作用。

3纳米复合材料的制备技术

粒子表面处理的方法通常是将一种物质吸附或包覆于另一种物质的表面,两种或多种物质接触紧密或形成一定的化学键。从国内外目前的研究现状来看,纳米复合材料的制备方法主要有下列几种。

2. 1机械化学法

采用机械化学法对超细粉体进行表面改性。机械化学法具有处理时间短、反应过程易控制、可连续批量生产的优点。该法的缺点是易使无机离子的晶型遭到破坏,包覆不均匀,而且一般要求母粒子在微米级,并要先制备单一的超细粒子。

2. 2气相法

气相法制备纳米复合材料的方法主要包括物理气相沉淀法和化学气相沉淀法。

1) 物理沉淀法是最早用来制备单一物质的纳米材料的经典物理制备方法。

2) 气相反应法是以挥发性金属卤化物和氢化物或有机金属化合物为原料,进行气相热分解和其他化学反应来制成超细复合材料,这是合成高熔点无机化合物细粉最引人注目的方法之一。

2. 3液相法

该方法是目前广泛使用的合成纳米粒子的方法,也是制备纳米复合材料的重要方法。

2. 4固相反应法

固相反应法是指固体直接参与化学反应并发生化学变化,同时在固体内部或外部至少有1个过程起控制作用的反应。

3纳米复合材料的应用

纳米复合材料是随着纳米技术的发展而产生的一种新型材料,由于纳米复合材料特殊的性能,所以它一经产生便引起了人们的极大关注,并被广泛地应用于国民经济各领域和军事领域。

在功能材料中,主要可用作纳米复合功能陶瓷的纳米复合材料,金属基纳米复合功能材料、高分子纳米复合功能材料、超导复合材料和纳米复合隐身材料等。在医用器件中,主要用作纳米生物医用信息处理系统、医用纳米机器人;纳米医用药物中的药物性纳米粒子和纳米医用载体。在军事领域中最有代表性的是采用纳米复合材料制备高性能的发动机,美国已开始进入实用阶段。电子对抗领域也是纳米粒子的重要应用领域。

4结束语

纳米复合材料作为一种新型的纳米材料,以其优良的性能和特点以及众多潜在的应用领域正日益成为研究和开发的重点。世界发达国家正在部署的未来10年～15年纳米研究发展规划,无论是美国的“信息高速公路计划”、欧盟的“尤里卡计划”,还是日本的“高技术探索计划”,都已把纳米材料列为重点发展项目 。我国在20世纪80年代末的“八五”期间,就将“纳米材料科学”列入了“国家攀登计划”,国家“863”计划新材料主题也对纳米材料有关科技创新的课题进行了立项研究。20多年来,虽然我国在纳米材料基础研究方面取得了一些令人瞩目的研究成果,但就国家总体重视程度、投资力度、信息和成果的共享以及产业化的程度方面来看,仍与发达国家存在着较大差距。因此,我们应尽快制定纳米技术发展计划,加快纳米复合材料研究和开发的进程。

参考文献:

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[ 3 ] 生瑜,钦,陈建定. 聚合物基无机纳米复合材料的制备方法[ J ]. 高分子通报, 2001 (4) : 9213.

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关键词：复合材料；π接头；渐进失效分析；Hashin准则；Ye分层准则；胶层失效；Abaqus

中图分类号：V214.8；V229；TB115.2 文献标志码： A

作者简介： 陈|艳(1974―)，女，浙江东阳人，讲师，博士，研究方向为航天器结构分析、优化设计、结构优化软件系统开发,

(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

纤维增强复合材料具有优越的比强度和比刚度，被广泛用于制造航空航天等工程领域中的主、次要承力结构.［1］机械连接和胶接是复合材料结构最常用的2种连接形式.［2］机械连接需要钻孔，导致孔周的局部应力集中，降低连接效率，同时使用紧固件还会增加结构重量；而胶接没有钻孔引起的应力集中问题，连接效率高，结构轻.胶接接头已成为复合材料整体化成型的关键部件之一.［3］

胶接接头分平面内接头和非平面内接头2类.对平面内胶接接头的强度影响因素和失效分析在理论、试验和数值模拟等方面的研究已比较充分；而非平面内胶接接头的结构形式相对复杂，目前主要有T形［4-5］、L形［6-7］和π形［3,8-9］等结构形式尚有待深入进行试验和数值模拟研究.胶接接头的失效预测主要采用基于应力应变的方法［4,6-8］和断裂力学方法［5,9］.前者依据失效准则判断失效，包括最大应力准则、最大应变准则、TsaiWu张量准则和Hashin准则等；后者假设有初始裂纹，通过对比应变能释放率与试验测得的断裂韧性判断裂纹是否扩展.由于断裂韧性的测量是个耗时、耗力的过程，且不适用于无初始裂纹的结构，故较少应用.

针对某复合材料π接头，采用基于应力应变的失效判别方法，同时考虑复合材料铺层和胶层的材料刚度退化，建立面向三维实体有限元模型的数值分析程序.对该接头在给定加载方式下的失效过程进行模拟，进而从工程角度对其初始失效位置、初始失效载荷和最终失效载荷等关键指标进行判别.

1复合材料π接头结构形式

某复合材料π接头结构示意见图1.

图 1某复合材料π接头结构示意

Fig.1Structure of composite π joint

该接头由U形板、L形板、一形层、0°单向带填料、蒙皮和蜂窝夹层板等构成.其中，U形板与蜂窝夹层板间通过胶层胶接，U形板、L形板与一形层间通过胶层胶接，一形层与蒙皮通过胶层胶接.接头的主要尺寸见表1，其中，W为蒙皮长度，M为蒙皮厚度，K为接头和蒙皮的宽度，H为整个接头结构的高度，T为蜂窝夹层板厚度，L1为L形板的横向长度，L2为L形板的纵向长度，R1和R2分别为L形板和U形板的圆角半径，L形板和U形板的厚度均为t/2.

表 1接头的主要尺寸

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

利用Abaqus/CAE建立该接头的三维有限元模型，每个铺层和所有胶层都采用实体单元，铺层采用碳纤维双马树脂复合材料.蜂窝夹层板面板有6层铺层，铺层为［45°/0°/-45°］s；图 2复合材料π接头有限元模型

Fig.2Finite Element

model of

composite π

joint一形层有3层铺层，铺层为［-45°/0°/45°］；L形板和U形板各有3层铺层，铺层为［45°/0°/-45°］.各个铺层厚度均为0.12 mm.蒙皮有8个铺层，铺层为［45°/0°/-45°/90°］s，每个铺层厚度为0.3 mm.为模拟试验条件，在蜂窝夹层板上施加拉力，且在试验夹板夹持位置约束蒙皮上、下两端面节点的3个方向位移，复合材料π接头有限元模型见图2.

2渐进失效模型

复合材料层合板和胶层渐进的损伤都会导致结构强度下降，破坏复合材料接头结构，因此在建立该接头的渐进失效模型中应同时考虑复合材料的失效和胶层的失效.

2.1复合材料失效准则

考虑复合材料层合板的纤维拉伸破坏、纤维屈曲、基体拉伸开裂、基体压缩开裂和分层失效等5种失效形式.采用三维Hashin准则［10］和Ye分层失效准则［11］作为复合材料失效判据.与TsaiWu张量准则和TsaiHill准则相比，Hashin准则和Ye分层准则可判断复合材料的失效形式，具体形式为：

纤维拉伸破坏(σ11>0)e2ft=σ11Xt2+τ12S122+τ13S132=1(1)纤维屈曲(σ110)e2mt=σ22+σ33Yt2+1S223(τ223－σ22σ33)+

τ12S122+τ13S132=1(3)基体压缩开裂(σ22+σ33

σ22+σ332S232+1S223(τ223－σ22σ33)+

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

τ13S132+τ23S232=1,σ33

2.2胶层失效准则

采用理想的弹塑性材料模型［12］（见图3）作为胶层的材料模型来模拟胶层的失效.在单元积分点的最大主应力小于材料的屈服应力值，材料是线弹性的；当积分点的最大主应力达到材料的屈服应力时，胶层材料进入塑性状态，就会有无限制的塑性流动，即判断为胶层失效.塑性区随着外载荷的增加而扩展，当扩展到整个胶层时，就会发生最终破坏.

图 3胶层材料采用的理想弹塑性材料模型

Fig.3Elasticperfectly plastic material model of

adhesive material

2.3材料刚度退化模型

本文采用材料刚度退化方法模拟材料的失效.利用Abaqus/Standard的用户自定义场子程序USDFLD定义6个场变量Vf1，Vf2，Vf3，Vf4，Vf5和Vf6，分别对应于复合材料失效的5种形式和胶层材料失效.在模拟过程中，将静力分析得到的应力值代入式(1)～(5)，求得5个状态变量e2ft，e2fc，e2mt，e2mc和e2d，存储为状态变量.当其值超过1时，对应的场变量被赋值为1，且以后的场变量值保持不变，从而保证材料的破坏不可逆.复合材料参数与场变量关系见表2.对于胶层材料，以单元积分点最大主应力为状态变量，同样当其值超过胶层材料的屈服应力时，Vf6赋值为1且保持不变.

表 2复合材料参数与场变量关系

Tab.2Relations between composite parameters and field variables材料状态材料弹性参数Vf1Vf2Vf3Vf4Vf5未失效E11 E22 E33 ν12 ν13 ν23 G12 G13 G23 0 0 0 0 0 纤维拉伸破坏0 E22 E33 0 0 ν23〖〗 0 0 G231 0 0 0 0 纤维屈曲 0 E22 E33 0 0 ν23 0 0 G23 0 1 0 0 0 基体拉伸开裂E11 0 E33 0 ν13 0〖〗 0 G13 0 0 0 1 0 0 基体压缩开裂E11 0 E33 0 ν13 0 0 G13 0 0 0 0 1 0 分层失效E11 E22 0 ν12 0 0 G12 0 0 0 0 0 0 1复合材料π接头的渐进失效分析流程见图4.

图 4渐进失效分析流程

Fig.4Flow chart of progressive failure analysis

该流程的具体步骤为

(1)给定初始拉伸载荷T=0；

(2)载荷增加ΔT，根据上一载荷下材料的场变量获得材料参数组装结构刚度矩阵，初始时材料无失效；

(3)进行隐式静力分析求解材料退化后的应力场分布；

(4)判断胶层是否失效，若失效，则Vf6被赋值为1，改变材料属性，存储场变量作为下一载荷材料退化的标志；

(5)根据失效准则判断复合材料是否失效及失效形式，再对照表2进行材料弹性参数调整，存储场变量作为下一载荷材料退化的标志；

(6)重复步骤(2)，直到载荷达到预定值时结束.

图 5拉伸载荷作用下无

接头载荷-位移

曲线

Fig.5Loaddisplacement curve of π joint under tensile load3结果与分析

数值模拟考虑以下3种不同的情况：(1)复合材料和胶层材料均为线弹性材料，即不考虑材料的失效；(2)仅考虑复合材料的失效，而胶层材料仍为线弹性；(3)同时考虑复合材料和胶层的失效.3种情况下数值模拟得到的载荷-位移曲线见图5.

3.1复合材料层合板的失效

图6（图中颜色较深的区域表示失效区域）给出考虑复合材料和胶层失效情况下，载荷为2.00 kN时π接头出现的初始失效.可见L形板的圆角处是初始失效部位，初始失效形式有基体拉伸开裂和分层失效等.试样的试验情况表明，发生初始失效的载荷为2.12 kN，初始失效发生在拐角处.与试验结果相比，可知初始失效载荷值的计算误差小于6%，失效部位一致.

(a)初始的基体拉伸开裂

(b)初始的分层失效

图 6π接头的初始失效部位

Fig.6Initial failure position of π joint

随着载荷的增加，失效区域不断扩展.试验结果表明试样完全破坏的载荷值为5.7 kN.图7所示为在5.0 kN和5.5 kN的拉伸载荷下接头的变形.在5.5 kN时，接头与蒙皮的连接处突然出现很大的变形，说明此处层合板的破坏使得结构刚度下降很大，也可从图5的载荷-位移曲线看出.因此，可判定结构在5.5 kN时发生最终破坏，与试验数据偏差小于4%.图8（深色区域是失效区域，图9~11也用相同颜色表示）是在5.5 kN时，L形板、U形板和填料的Vf3和Vf5的分布图，可知，填料和拐角处大部分层合板都失效，而由于此处层合板的失效，胶层因承受过大的载荷也会发生失效.(a)5.0 kN时接头的变形(b)5.5 kN时接头的变形图 75.0 kN和5.5 kN载荷下π接头的变形

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

(a)5.5 kN时Vf3分布(b)5.5 kN时Vf5分布图 85.5 kN载荷下Vf3和Vf5的分布

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

图 92.5 kN时胶层开始出现失效

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

图 105.5 kN载荷下胶层1的失效区域

Fig.10Failure zone of adhesive layer 1 under

5.5 kN load图 115.5 kN载荷下胶层3的失效区域

Fig.11Damaged zone of adhesive layer 3 under

5.5 kN load

3.2胶层的失效

如图9所示，胶层初始失效发生在2.5 kN时，由图5也可看出曲线在此出现分叉.随着载荷的增加塑性区扩展，在5.5 kN时胶层并未完全失效，但是，在连接L形板、U形板、填料和一形层的区域，胶层完全失效，见图10和11.胶层1连接L形板、U形板、填料和一形层的区域完全失效，胶层3靠近拐角处的区域也完全失效.

图5的曲线表明在考虑胶层的失效所得到的结果与不考虑时存在较大的差异.这是由于胶层一旦失效引起应力分布的变化，导致失效形式发生改变.同样，当层合板发生失效时，胶层将传递更大的载荷，从而导致失效.胶层失效和复合材料层合板失效相互影响.可见，考虑胶层的失效可更准确地计算高应力区域层合板的应力分布，从而可更准确地预测层合板的失效.

4结论

基于Abaqus编制复合材料π接头刚度退化程序，用于该结构在给定加载方式下的失效分析，计算结果表明：

(1)采用Hashin准则和Ye分层准则作为复合材料失效判据，并将理想弹塑性材料模型作为胶层材料模型，可有效进行复合材料π接头结构的渐进失效分析，并从工程角度对其初始失效位置、初始失效载荷和最终失效载荷等关键指标进行判别.

(2)比较不考虑和考虑胶层失效2种计算工况的结果，可知考虑胶层失效能更准确地计算复合材料π接头高应力区域的应力分布，从而更准确地分析接头失效形式.

(3)复合材料π接头L形板的圆角处、填料和一形层是高应力区，初始失效发生在L形板圆角处；随着载荷的增加，失效区域不断扩展；整体结构最终失效是L形板和填料的失效；基体拉伸破坏是主要的失效形式.

参考文献：

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篇4

关键词：碳纤维；复合材料；应用

0 前言

碳纤维复合材料自20世纪50年代面世以来，以其独特的性能，主要用于火箭、航天、航空等尖端科学技术，随着碳纤维复合材料性能的不断完善和提高，目前在土木工程、航空航天、石油化工、交通运输、体育产品等领域得到广泛应用。

1 碳纤维复合材料的性能

碳纤维是由碳元素组成的特种纤维，其含碳量一般在90%以上。碳纤维材料有其独特的性能，包括：强度高，是钢铁的5倍；耐热性好，可以承受2000℃以上的高温；密度小，是钢铁的1/5；热膨胀系数低，在温差变化较大的情况下，变形量较低；抗热冲击性能也很好；耐腐蚀性能好，能耐硫酸等强酸的腐蚀；抗拉强度好，能达到钢的7～9倍。

2 碳纤维复合材料的应用

2.1 土木建筑领域的应用

水泥在土木建材领域中用量最大，但水泥也有诸如脆性大、抗拉强度低等缺点，而现在用混凝土或水泥做基体制成的碳纤维增强复合材料，克服了水泥强度低、在混凝土中易开裂、易受到氯盐、硫酸盐等侵蚀的缺点，在冬季及寒冷地区有很大的应用空间。在大型建筑中，钢筋的使用量相当惊人，国家体育场“鸟巢”的钢筋绑扎量达到5.2万吨，施工量大，运输、安装费时费力，如果采用自身较轻的碳纤维，可以大大降低建筑结构的重量，方便施工，减少安装时间，降低施工周期[1]。用碳纤维和树脂制成的碳纤维复合材料片，拉伸模量高、拉伸强度大，广泛应用于加固受损的钢筋混凝土结构物[2]，用在石油平台上可使石油平台壁的耐冲击性能大大增强。

2.2 航空航天领域的应用

航空工业最早大量采用碳纤维复合材料。在航空工业中，飞行器的质量轻，就意味着油耗的降低，速度的加快，碳纤维强度高、密度低、变形量低的特点决定了碳纤维是理想的航空材料。美国波音公司的787飞机，机体大量采用碳纤维材料，质量比传统的铝合金机体减轻近20%，耗油量大大降低，碳排放量每年可减少2700吨，被誉为“绿色客机”。欧洲空客公司A380客机上的机舱内壁板、后机身蒙皮、水平安定面等都由碳纤维复合材料制成。美国的“超级大黄蜂”战斗机、法国的“阵风”战斗机、欧洲的“台风”战斗机都大量使用碳纤维复合材料。碳纤维复合材料在航空工业上有着巨大的应用潜力[3]。

碳纤维复合材料可以减轻火箭和导弹的重量，加大火箭和导弹的射程，提高落点的精度[4]。美国的战斧式巡航导弹和三叉戟-2型导弹的发动机壳体采用的就是碳纤维复合材料。我国早在上世纪八十年代就在某型海防导弹上成功采用了碳纤维复合材料，使导弹的射程增大。“天宫一号”上的相机支架组件就是采用了由哈尔滨玻璃钢研究院研制的碳纤维复合材料。人造卫星展开式太阳能电池板也多采用碳纤维复合材料制作。目前碳纤维复合材料作为结构隐身材料也已经得到了某些应用[5]。

2.3 石油工业的应用

美国经过多年的努力，在20世纪90年代初研制成功了碳纤维复合材料连续抽油杆，试验结果表明: 碳纤维复合材料连续抽油杆克服了普通钢抽油杆质量大、能耗高、失效次数多、活塞效应大、作业速度慢、易磨损的缺点，是一种很有发展前途的特种抽油杆[6]。近来亚洲第一大石油公司中国石油天然气股份有限公司计划大力发展碳纤维产业,拓宽碳纤维复合材料的应用领域,不断向高端市场延伸，特别是海上钻井平台,目前每个平台要使用钢材8万吨,如果改用复合材料,则每个平台仅消耗1.3万吨的碳纤维复合材料。深海油气田将是碳纤维复合材料发挥作用的重要领域。

2.4 汽车工业、高速列车及体育用品中的应用

碳纤维扩大应用的最大希望在于在汽车工业的应用。在汽车车身、零部件中使用碳纤维复合材料，不但可以降低汽车的重量，而且可以更加经济环保，降低油耗。洛克希德马丁能源研究所（Lockheed martin Energy Research）的瓦伦（David Warren）统计过，如果每一辆北美的汽车用2.2kg碳纤维，那北美1800万辆小车的碳纤维总量就超过当前全球大丝束碳纤维总生产能力的4倍[7]。美国通用汽车公司和帝人公司日前宣布将联合研制应用在汽车上的先进碳纤维复合材料。碳纤维复合材料刹车片主要用于高速列车，是碳纤维复合材料的又一重要应用。日本、法国已经成功地将碳纤维复合材料刹车片应用于新干线和TGV高速列车制动，德国Knoor Bremse公司也研制出了高速列车用碳纤维复合材料盘型制动器。随着我国高速列车的飞速发展，碳纤维复合材料刹车片有着广阔的发展空间。碳纤维复合材料在运动器材中也得到了广泛应用。包括高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓鱼竿、自行车架、冰球拍、船桨、赛艇等，都已经形成了成熟的市场。

3 结语

目前我国碳纤维复合材料发展迅速，在大飞机、高速列车等项目上都有着巨大的需求，但我国碳纤维复合材料的发展与发达国家相比还有很大差距，碳纤维复合材料还需要大量进口，在碳纤维的低成本上和复合材料成型技术上我们还要花很大的力气。

参考文献：

[1] 高鑫.碳纤维在土木建筑中的应用[J].建材工业信息，2004，No5，40~41.

[2] 赵稼祥.2002世界碳纤维前景[J].高科技纤维与应用，2002，Dec，Val.27，No6，7~9.

[3] 赵稼祥.碳纤维复合材料在民用航空上的应用[J].高科技纤维与应用，2003，Jun，Vol.28，No3，33~35.

[4] 韩冰,陈平.碳纤维复合材料火箭发动机壳体用韧性环氧树脂基体的研究.复合材料学报，2002，Apr, Vol.19，No2，25~27.

[5] 袁健.碳纤维复合材料天线反射面研制[J].火控雷达技术，2003，Sep，Val.32，44~46.

篇5

2、与传统金属部件相比，疲劳和腐蚀的影响较小。

复合材料种类：

1、玻璃纤维

目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。由于高强度玻璃纤维性价比较高，因此增长率也比较快，年增长率达到10％以上。高强度玻璃纤维复合材料不仅应用在军用方面，近年来民用产品也有广泛应用，如防弹头盔、防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、体育用品、各类耐高温制品以及近期报道的性能优异的轮胎帘子线等。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料，用其增强酚醛树脂可制成各种结构的耐高温、耐烧蚀的复合材料部件，大量应用于火箭、导弹的防热材料。迄今为止，我国已经实用化的高性能树脂基复合材料用的碳纤维、芳纶纤维、高强度玻璃纤维三大增强纤维中，只有高强度玻璃纤维已达到国际先进水平，且拥有自主知识产权，形成了小规模的产业，现阶段年产可达500吨。

2、碳纤维

碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、导电等一系列性能，首先在航空航天领域得到广泛应用，近年来在运动器具和体育用品方面也广泛采用。据预测，土木建筑、交通运输、汽车、能源等领域将会大规模采用工业级碳纤维。1997～2000年间，宇航用碳纤维的年增长率估计为31％，而工业用碳纤维的年增长率估计会达到130％。我国的碳纤维总体水平还比较低，相当于国外七十年代中、末期水平，与国外差距达20年左右。国产碳纤维的主要问题是性能不太稳定且离散系数大、无高性能碳纤维、品种单一、规格不全、连续长度不够、未经表面处理、价格偏高等。

3、芳纶纤维

篇6

在航空制造业中，基于CAD模型的产品设计与制造已经成为主流模式。作为新一代的CAD技术，基于模型定义（ModelBasedDefinition，MBD）技术在航空工业的应用越来越流行[1]。MBD的核心在于以一个集成化的3D实体模型作为单一数据源头携带贯穿产品全生命周期所需的各种信息。基于MBD的制造模式一经推出，就被认为是航空工业革命性的变革，在这一数字化浪潮中，航空工业面临前所未有的挑战和机遇，如何利用MBD技术带来的发展契机，重塑航空制造流程成为工程领域研究的热点问题。目前，航空器上的复合材料结构正朝着大型化、整体化的方向不断发展，复合材料的用量已经成为衡量航空器先进性与安全性的重要标志。复合材料结构的制造依赖过程控制，需要定义工艺设计、成型工艺装备、设备控制和检验所需的模型。因此研究面向制造的复合材料结构的三维集成化实体模型是航空制造业能否顺应MBD这一新制造模式发展潮流要解决的关键问题之一。制造模型是制造数据链的核心，是设计意图表示的唯一载体，是制造企业完成产品制造及检验的唯一依据[2]。MBD模式下制造模型（工艺模型）的定义、表示和应用是学者与工程技术人员研究的重点。文献[3]指出在MBD模式下，产品的设计制造数据都应该以结构化形式集成到CAD模型中以更好支持产品全生命周期各个阶段的活动，在此基础上提出一种基于质量功能展开的MBD模型应用方法。文献[4]研究了基于MBD的三维数字化制造体系，分析了基于MBD的数字化定义技术、工艺设计与仿真技术、工艺装备设计制造集成技术、数字化检测与质量控制技术和产品数据管理系统集成技术。文献[5]提出一种利用加工知识创建基于MBD的工艺模型的新方法。文献[6]针对机加工艺的典型特征，以工艺MBD模型为基本单元，利用加工特征作为载体将几何与工艺信息集成，建立了面向工艺的MBD模型。文献[7]结合钣金零件成型特点，分析了钣金零件数字化制造模型的结构、组成及各个状态的定义。文献[8]针对当前的MBD模型缺乏基于特征的模型数据表示而不能很好应用于制造领域的现状，从模型重用的角度提出一种基于加工特征的多层次结构化的MBD模型表示。文献[9]指出识别和理解几何设计意图是MBD模型重用的关键，进而提出一种扩展的三维注释标注方法以显式传递几何设计意图。文献[10]研究了基于MBD的装配工艺数据模型，分析了其中的信息种类和具体组成以及数据来源。综上所述，基于MBD的制造模型涉及钣金件、机械加工件、装配模型等，但较少涉及航空制造领域比重越来越大的复合材料，这与航空制造技术的发展潮流不相匹配。针对这一现状，开展基于MBD的复合材料制造模型研究。

2数字化制造对MBD技术的需求

复合材料结构的数字化制造要求从产品制造全过程不同阶段的不同需求来全面描述产品的工程信息，而数字化制造对产品建模提出的新要求根源于复合材料结构制造的两个工程特征。（1）复合材料结构的强可设计性和“增材制造”特性要求3D集成化的模型表示。在复合材料结构的设计过程中，考虑承载、环境以及功能需求等设计因素，复合材料结构通常设计得厚度不均，铺层形状各异，不同形式的材料混杂如树脂基玻璃纤维铺层与树脂基碳纤维铺层混合等。这体现了复合材料结构的强可设计性，但对模型的表示也提出了更高的要求。传统的复合材料数字化制造模式中，3D模型表示结构的几何，而铺层等细节设计意图通过2D图纸的形式表示，造成产品数据源的分离，不仅不利于对产品数据的管理，还为工艺人员带来沉重的根据2D图纸上的尺寸信息从3D模型上重新设计工艺铺层的任务。而MBD技术采用3D标注加三维模型表达方式，可以更加清晰、完整地表达复合材料结构的设计思想，同时尺寸、公差、铺层等制造信息的集成表示具有更强的表现力。复合材料结构铺叠成型的“增材”制造模式依赖对3D几何模型的曲面展开，同时相应的工装设计也需要在3D设计模型的基础上进行相应的扩展和修正，才能得到最终的3D工装数模。复合材料结构的成型工装是设计数模面向制造的延拓，需充分考虑成型前后铺层的厚度变化、压力场与温度场对工装型面修正的影响。以集成化3D实体模型表示复合材料成型工装并使之与设计数模关联，将有效加强产品数据的管理。因此，复合材料结构的设计制造特性易于与MBD技术融合。（2）复合材料结构成型的多工序性要求面向工艺过程表达的中间模型。复合材料结构制造过程由工艺准备过程和工艺过程两个链组成。在工艺准备过程中，设计数模表示的是最终零件的成型态，而复合材料结构大型化和整体化的特征造成成型时通常不能一步成型出最终的设计态。在工程实践中，根据复合材料结构的特点，对工艺过程进行适当的划分，形成复合材料结构的成型工序，通常采用先成型主体结构，再通过二次胶接或模压共固化的方式完成构件成型，最后利用相应的夹具夹持构件，进行最终的钻孔、修边工作。因此在工艺准备过程中，必须对各个工艺步骤进行合理划分，针对当前工艺步骤下的模型进行数字化定义，以便开展数字化工装设计、数字化工艺设计、设备控制、检验模型设计等。在工艺过程中，工艺准备过程的模型作为依据，驱动制造的物理过程。因此，要为复合材料结构数字化制造过程提供依据，必须使用数字量表达和定义的相互关联的中间模型。

3基于MBD的复合材料制造模型

3.1制造模型的组成分析

设计部门发放的复合材料结构的MBD模型是按照构件的功能进行定义的，仅包含了构件最终的几何模型及其工艺信息，并不考虑构件制造的中间状态，而复合材料结构的大型化、整体化、形状复杂化等特征使得其制造通常是分阶段的，并且每个阶段都要定义相应的工艺信息，如成型精度（尺寸、公差）、固化温度、压力、时间、表面处理方法以及待胶接面的保护等，以保证结构最终的成型质量。同时，在复合材料结构的成型过程中，需要相应的成型工装，胶接面加工需要装夹定位等。这都要求对原有的设计模型进行修改（如将设计数模拆分成对应中间某个阶段的几何模型，或者为保证一些高要求的尺寸特征，增加相应的工艺铺层等）。因此，设计MBD模型难以直接应用于数字化工艺设计。通过对复合材料结构成型工艺过程进行分析，考虑复合材料结构成型过程中的典型状态，分析了制造模型的组成，如图1所示。初始模型，主要作为预浸料数控下料、成型工装设计的依据。初始模型以设计模型为数据源，结合工艺特征，利用数字化设计、计算机仿真和专家经验设计构建。下料数据通过对设计模型曲面展开得到，其形状直接影响复合材料结构几何形状的准确度，一般都通过曲面扩展的方式留有工艺余量；针对不可展曲面，需对初始模型进行有限元仿真，根据有限元网格的变形情况，确定剪口的方式；特别地，对尺寸大或曲面复杂的构件必须进行铺层分块，而铺层分块的方法和搭接方法依赖对初始模型的有限元仿真结果，最终建立完整的3D铺层模型作为初始模型的有机组成部分。在设计模型的基础上，考虑成型过程的物理环境，通过有限元仿真确定温度场和压力场，以此为依据结合已有的专家经验，对模具型面进行相应的修正，最终模具的3D集成化模型（几何模型+制造工程信息）是初始模型的重要组成部分。中间模型，主要用于夹具设计、数控程序设计、检验量具设计、表面处理工艺参数设计等，包括组成复合材料结构的小件的3D集成化实体模型，复合材料结构的主体部分与小件的胶接或共固化等几何形状与制造工程信息的集成模型和小件或主体部分的精度检测模型。最终模型，主要应用于检验模型设计，数控程序设计的3D集成化模型。利用该模型对成型的复合材料主体结构添加相应的设计孔特征，关键装配面精度保证的数控加工程序设计，如铣端面等，并对结构预留的工艺余量进行切边去除。

3.2基于MBD的制造模型定义

在传统的复合材料结构数字化制造过程中，产品信息的关联性差，设计数模、工装数模、2D工装制造图纸、3D铺层模型、2D的铺层排样数据，以及2D数字化工艺设计中的成型参数等工程信息紧密相关但以散乱、各异的形式存在于制造过程中，为企业的产品数据管理带来巨大的挑战。基于MBD的制造模式下，复合材料结构的制造模型以3D模型为载体，将制造工程信息，如尺寸公差，形位公差、表面处理方法、固化温度、压力、时间等工艺设计信息与3D模型紧密关联。通过对复合材料工艺设计过程涉及到的信息以及工艺设计信息与模型之间的关系进行分析，结合复合材料结构的成形工艺特点，利用各个阶段模型之间的关联性确定了制造模型组成部分之间的相关关联。制造模型定义采用“阶段划分-模型定义-模型优化”的迭代模式生成。制造模型的定义不仅依赖MBD这一先进的数字化设计制造理念，更需要企业在长期生产实践中积累的大量工艺知识。在CATIA、FiberSIM等先进数字化软件平台的支持下，根据企业积累以及自身特色形成的复合材料制造工艺知识库，通过制造模型阶段划分、建立了基于MBD的复合材料结构制造模型，如图2所示。实体层，定义了模型的3D几何形状，作为非几何信息（尺寸、公差、固化条件、材料信息）的载体，是工装设计、预浸料下料数据的源数据。扩展层，定义了3D标注信息，主要包括尺寸、公差、注释、表面粗糙度、形位公差、装配、检验、测试和材料等制造工程信息。其中注释定义了构件的表面处理、工艺要求等，标记定义了装夹、定位基准等。扩展层标注到3D几何模型上，直接在3D环境中显示，可通过多视图管理实现相应信息的选择、缩放、隐藏和显示等操作。应用层，是基于3D几何模型和扩展层的应用，以两者作为基础面向整个制造流程的应用，如成型工装设计制造、检验工装设计制造，预浸料下料数据以及铺层的激光投影数据的生成、机械加工的数控程序设计，装夹定位工装的设计制造，表面处理方法等。应用层的信息以索引的方式与扩展层、实体层关联，需要根据企业自身特点进行上述信息的组织显示。

3.3基于MBD的制造模型在复合材料数字化制造中的应用

传统的复合材料数字化制造往往侧重制造过程的某个环节，缺乏对整个制造过程所涉及的所有环节的系统考虑。基于MBD的复合材料制造模型以集成化的3D模型表示将复合材料成型各个环节紧密结合在一起，是先进复合材料制造体系的有机组成。从系统学的角度而言，以制造模型为核心的复合材料数字化制造体系对复合材料制造的各个环节进行了严密的数字化定义，以数字量传递和控制成型模具设计、检验设计、制造指令设计、工艺参数设计等，实现了快速、精密、高质量成型，有效降低了生产成本和缩短了制造周期。基于MBD的复合材料制造模型应用方案，如图3所示。

4结束语

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家具设计应在物质技术条件的基础上，与材料、结构、工艺密切结合，尽量做到材料多样化，产品标准化，零部件通用化，使所设计的产品与现有的技术装备及工艺水平相适应，避免设计与生产实际脱节。同时，物质技术条件是实现使用功能要求和造型艺术的重要保证。

2木塑复合材料的设计属性

2.1外观属性

材料的外观属性通常包括形态、色彩、肌理等方面。木塑复合材料大部分是挤出成型的，因此可以制造出凹凸的肌理，使其富有特殊的装饰效果（图4），但大多数情况下只能呈现直线状态[4]。木塑型材的通孔设计（图5）一方面可以丰富木塑复合材料的形态特征，使其呈现多变的断面形态，同时可以减轻重量，从而节约成本。在木塑复合材料中加入着色剂[5]，不仅能使木塑制品显示出各种各样的色彩外观（图6），而且也可以改善其耐候性。随着对木塑复合材料的深入探究以及技术的突破，木塑产品表面还可以制成类似木材的纹理和色泽，营造温暖亲近的感觉。此外，木塑复合材料还可以覆盖塑料表层[6]，增加材料颜色的多样性和耐潮湿性。

2.2加工性能

目前，木塑复合材料的成型工艺主要有三种：挤出、热压和模压。挤出成型凭着工艺简单，而且加工周期短、效率高，与其他加工方法相比，更广泛地应用于工业化生产中。木塑复合材料采用的主要连接方式有以下三种：胶接、焊接和机械连接。机械连接有连接件连接、钢钉连接和复合材料专用螺钉连接，相关实验表明，螺钉连接的木塑构件可以进行多达十次的拆装[7]。

2.3其它性能

木塑复合材料同时具有耐磨、耐腐蚀、防水和尺寸稳定性好等优点。在制造过程中加入阻燃剂，可使木塑复合材料具有一定的阻燃性，因此，可将其应用在具防火要求的公共家具设计中。此外，木塑制品本身同时具有可回收性、良好的经济性和环保性。比如在北京奥运会的工程建设中[8]，就大量利用了这种环保的木塑复合材料（图7）。

3木塑公共家具设计实践

3.1木塑露天桌椅

在加工过程中添加了阻燃剂的木塑复合材料具有优良的阻燃性能，适用于公共场所。这里把木塑复合材料设计成长短不一的条状板，以点、线、面的概念，构成木塑露天桌椅（图8）。整套桌椅统一采用金属作为底架，条状木塑板作为面板材料，营造出空间环境的整体感。在材料上，木塑复合材料的凹凸肌理与金属的精致肌理形成对比，木塑复合材料的温暖感与金属的冷峻感形成视觉感受上的对比。同时，不同色彩的金属与木塑复合材料的组合也可呈现出不同的视觉效果（图9），为人们的公共场所营造出温暖、清新、自然的现代感。在结构上，零件之间采用可拆装的螺钉连接，既方便安装，又可以降低运输成本。另外，玻璃下层可置菜单或广告单（图10），便于现代商业化宣传。

3.2木塑书架

这款供图书馆使用的六层双柱双面木塑书架（图11），在外观造型上，立柱部分处理成深色，旁板和层板处理成浅色，进行深浅色彩搭配，以塑造书架的平衡感。立柱设计成四面均带凹槽的结构，用于旁板的嵌入，既方便使用时的安装，同时使凹凸肌理成为一种装饰。立柱顶部的装饰件采用模压技术制成，可标准化批量生产。在加工工艺上，书架的立柱、旁板和层板均采用挤出成型工艺进行生产，利用木塑复合材料的凹凸肌理完成立柱与旁板、旁板与搁板的搭接（图12），减少了五金连接件的使用。在功能上，结合人体工效学原理，考虑到旁板横向凹凸肌理的需要和挤出成型工艺中幅面的限制，将旁板设计成多段拼搭结构，根据书籍的尺寸大小，其凹凸肌理按照比例进行合理设计，利于层板的高度调节，方便图书馆中不同尺寸大小的图书摆放。此外，旁板的双面凹凸肌理设计，使相邻两书柜柜体共用同一块旁板，一方面可根据室内空间的大小对书架数量进行调整，满足其在功能上的延伸，同时可充分利用空间资源，有效降低生产成本。

3.3等候椅与花坛

据调查，生活中等候场所（如火车站候车厅）的候车椅大部分为金属材质，这种材质虽强度较高，但因候车场所一般人流量比较大，对家具的耐久性自然要求比较高，金属表面掉漆以及生锈等后期维护工作并不易进行。并且金属制等候椅常给人冰冷的视觉感受，其舒适性也有待提高。相比较而言，木塑复合材料继承了木材和塑料的双重性质，具有温和自然的视觉和触觉感受，且它的强度并不逊于金属。因此可将其运用于人流量比较大的公共场所，进行如下设计。这款木塑休息椅（图13）删繁就简，没有多余的装饰，造型简洁。等候椅底部为金属支架，椅面为木塑材料组成的等腰梯形。等腰梯形的座面设计是为了便于使用者根据空间大小来调节休息椅的长度（图14），利用等腰梯形的特性，休息椅的长度延伸可以更显自然。在色彩上，木塑复合材料在生产过程中通过增加着色剂可以造出各种色彩的产品，这款公共场所的休息椅正是运用这一特性，设计出彩虹般色彩的椅子，为等候场所增添几分色彩和乐趣。结构上采用螺钉连接。此外，设计的配套花坛（图15），既可以给等候场所带来几分自然的气息，还保护了座椅的端面。花坛的数量可根据场所需要自由调整（图16）。

4结语

篇8

1996年在法国巴黎举行的第31届欧洲复合材料大会(JEC)决定:1997年的欧洲复合材料大会将与“先进材料与加工工程科学”大会——SAMPE同时同地共同举行。使全世界的有关专家共同讨论复合材料高技术问题，也避免分开举行在时间和经济上的浪费。

现将会议上的几个主要议题介绍如下。

一、新材料的开发与材料应用

材料在人类生存、发展和科技进步中的重要作用不阐自明。人类社会在经历了石器时代、铜铁器时代、合成材料时代后进入了当今的复合材料时代.

新材料、新技术的发展经常是从军事工业开始而后转入民用。新型航空航天器、作战武器和各种新技术往往对材料提出某些特殊的需求，如耐高温、耐高压、超高真空、高比强度、高比刚度等，供应商为满足这些要求，而研制生产出如T1000这样具有7000MPa的抗拉强度和M60J这样具有590GPa的拉伸模量的碳纤维，以及耐高温的金属基或陶瓷基复合材料。然而，对于民用产品来讲，更多考虑的是性能/价格比和产品的市场竞争力。根据此次的欧洲复合材料大会CEPP出版物载文统计，就整个复合材料工业而言，对“高性能复合材料”需求的增长远远低于民用工业常用的复合材料。在1995年欧洲消费的1300万吨复合材料中，高性能复合材料仅占0.38%，其余绝大部分是玻璃纤维增强的复合材料。其中玻璃纤维用户在运输业占23%，建筑业占20%，电子电气占 17%，工业器材占20%，体育、娱乐及消费品占14%，军事及其它仅占6%～7%。据分析，由于当前对军费的限制，先进复合材料及其在军事上的应用不会一帆风顺。在1994年出现的玻璃纤维极度匮乏之后，生产厂家决定增加玻璃纤维的产量，1995年仅欧文斯考宁(Owens Corning)一家公司就增产10万吨。

随着玻璃纤维复合材料在民用工业上应用愈来愈广，玻璃纤维的品种也日益增加。改进纤维的组分即可提高纤维强度，R、S或T型玻璃纤维的强度就比普通E型玻璃纤维高30%。维脱泰克斯公司(Vetrotex)的团泰克斯(Twintex)纤维就是由玻璃纤维与热塑性材料混杂的纤维. 这种纤维适用于缠绕制品和增强热塑性树脂模压制品(TRE)。这种TRE制品强度是传统TRE制品的3 倍，其单向纤维制品强度为传统TRE单向纤维制品的7倍。这种纤维复合材料已用于制作消防队员头盔及聚丙烯蜂窝夹层运输板等.

高性能纤维除碳纤维、芳纶纤维外，芳香族聚酰胺(它象芳纶一样具有准液晶性质)是高技术纤维。此外，单向聚丙烯纤维复合材料具有低密度和优良的机械性能。

对于常用的热固性及热塑性树脂这里就不多做介绍。值得注意的是各家都提到减少固化过程中苯乙烯的释放以保持环境的措施:制造一种膜覆盖于固化物表面抑制固化中苯乙烯的挥发或使用一种以双环戊二烯为基的树脂。

另外，有的厂家还介绍了热固性树脂的循环使用问题:回收废旧复合材料制品，把它们捣碎用于铺路或用做热塑性树脂的增强物。

埃尔夫阿多凯姆公司(ELF ATOCHEM)介绍了他们的结构胶粘剂TOPFIX。这种胶粘剂在 80℃可保持其机械强度及密封性，从而代替传统的焊接、铆接和螺接;它与脱模剂相容，因而不必对被粘物进行表面处理;用高频介电损耗法可使胶带在45秒内固化，比在烘箱固化省时，节能90%，此胶主要用于汽车等交通运输业。

挪威JOTUN公司推出了能防止不饱和以及聚酯复合材料在超紫外线照射下发黄的新型胶膜和苯乙烯放出率很低的胶膜。

二、复合材料新工艺

对于树脂基复合材料，除了众所周知的成熟工艺手糊成型、铺层压制、模压、树脂传递模塑、缠绕、喷射、拉挤、编织等工艺外，会上介绍了一种灌注模塑法(Infusion molding)，美国圣第亚哥加利福尼亚大学(UCSD)用此法制成了4米长的桥板，强度比水泥件增加88%，重量仅为水泥件的1/6; 还有人用此法制成了21米长的冷藏铁路罐车，具有良好的保温性能.

灌注模塑法可很经济地生产大型整体构件且不污染环境。

另据报道，法国宇航公司等9家欧洲公司接受了欧洲Technicoplis研究机构的一项预研项目， 目的在于探索用离子束照射法代替烘箱和热压罐来固化成型复合材料制品。法国宇航公司的“空间与国防分部”曾做过这方面的研究。另外，在Unipolis的阿奎坦那厂(Aquitaine)拥有可处理长10 米、直径4米的复合材料构件的世界上最大的性能优异的设备。在此设备中，电子加速器代替了传统的炉子和烘箱。在不升高温度且十分经济的条件下使大厚度、大尺寸的构件聚合固化。这种设备就象一台工业微波炉!在Technopolis预研项目中准备试验多种复合材料的固化工艺以估价此方法的效果。德国“奔驰”宇航公司准备做一个环氧复合材料的火车转向架，法国欧洲直升机公司准备做一个碳/双马树脂的直升机构件，意大利的潜艇公司准备生产一个玻璃/聚酯艇舱。从以上 1∶1试验件生产研制过程可探索此种“高级微波炉”的优点及用于不同种类纤维、树脂复合材料的工业生产的可行性。此项工作自1991年开始已取得进展。

三、复合材料生产设备与自动化

复合材料制品的生产设备与自动化程度取决于所采用的材料与工艺。一些高技术产品因其结构复杂，需采用手糊、铺层、接触模压等工艺，其设备的自动化程度都很低。而压制、喷射、反压挤拔及树脂传递模塑等军用工业技术设备自动化程度都越来越高，配合原材料的质量控制使制品机械性能和外观(如加色)都有很大改进。还出现了一些用于喷射、热塑增强模压、树脂传递模塑法的控制软件。另外，AEO公司推出了可以改进碳复合材料或其它复合材料生产过程的双流热汇系统(hydrothermic double flux system)。

四、发挥航天优势，在复合材料应用技术的“军转民”上下功夫

航天工业是高科技产业，代表着尖端技术。新型航天器的挑战性需求永远是科学技术发展的引导力量。随着世界冷战状态的结束，改革开放的形势，要求航天事业不仅仅是面向军品，更要面向国民经济主战场。要把航天的技术、人才优势和研究成果转向为四个现代化做贡献，即“军转民”。

“军转民”关键在一个“转”字。首先要转变仅仅“吃皇粮、干军品”的思想，也要转变“大军品、小民品”的观念。航天工业应是军民共茂、“两个轮子一起转”的高科技产业，要用我们千方百计攻尖端、搞军品的劲头千方百计地把民品也搞上去。

篇9

1优化策略

采用结合RSM和遗传算法的两级优化策略，对复合材料加筋板进行非线性结构响应约束条件下的优化设计。

1.1一级优化分级优化策略的第一级，以结构的几何尺寸为设计变量，以线性屈曲及后屈曲承载能力为优化响应，对结构进行优化设计。由于复合材料加筋板后屈曲特性的复杂性，这里直接给出一级优化的普遍优化模型是不恰当的，优化模型中具体的设计变量，优化约束与目标函数的选择应该根据具体的算例而定，但考虑复合材料加筋板后屈曲特性的优化设计一般希望达到以下优化效果：首先，加筋板在发生屈曲之后具有比较好后屈曲承载能力即最大化结构的极限载荷；其次，加筋板不应发生过早的局部屈曲，即结构的一阶屈曲特征值不能过低，当使用控制位移的方式加载时，要求结构屈曲位移bS与结构极限载荷位移cS的关系如式（1）[15]所示。(1)最后，在保证结构屈曲承载能力的基础上尽可能地降低结构质量。一级优化包括三个关键步骤。1)分析模型建立及灵敏度分析建立初始设计屈曲及后屈曲分析模型，通过实验验证分析模型的准确性，这是决定优化效果的最基础和关键的步骤。确定分析模型准确性之后需要对结构进行参数化建模，并对模型进行灵敏度分析，通过灵敏度分析观察不同设计变量对于结构响应的影响，可以为优化过程中样本点的选取提供依据，同时可以用于指导优化设计以及验证优化设计结构的合理性。2)全局近似函数的建立采用RSM在保证精度的条件下以最少的样本点建立几何尺寸关于结构响应的全局近似函数，这是整个优化过程中计算成本最大的步骤，但是和在优化过程中直接调用有限元软件计算结构响应相比可以大大降低计算成本。优化设计的准确性依赖于响应面的精度，而响应面的精度依赖于响应面方法的选择及样本点的选取。本文使用多项式响应面模型，基于最小二乘法进行拟合。样本点的选取方法应保证样本点的高度随机性。拉丁超立方体抽样（LatinHypercubeSample）由MCKAY在1979年提出，它被设计成通过较少迭代次数的抽样，准确地重建输入分布。这里通过MATLABStatistics工具箱生成拉丁超立方体样本点，调用参数化建模程序计算结构响应。一般样本点的数量越多拟合精度越好，但出于计算成本的考虑，用适当数量的样本点拟合出满足一定精度要求的响应面是目前大多数学者使用的方法[11,16,17]。这里采用由CARRERE[16]提出的逐渐迭代方法确定样本点数量。首先使用3(n1)个样本点进行拟合，其中n为问题的维度，这里是设计变量的个数。基于这些样本点进行响应面拟合，根据响应面的拟合残差判断是否增加样本点，直到响应面的精度满足要求。全局响应面拟合结果y'和有限元计算结果y之间的残差r可以用下式（2）表示。(2)对上式求平均值，可以得到每次迭代拟合的残差值，增加样本点前后残差值收敛时即可认为响应面满足精度要求。3)优化计算使用MATLAB优化工具箱对全局近似模型进行优化计算。同时使用了基于梯度的优化算法及遗传算法计算优化模型。由于优化响应基于RSM建立而RSM是针对计算成本高的结构模型提出的一种近似计算方法存在不可避免的误差[18]，需要通过灵敏度分析对优化结果进行调整。

1.2二级优化分级优化策略的第二级，保持结构几何尺寸为第一级优化结果中的尺寸，使用遗传算法对复合材料加筋板进行以铺层顺序为优化设计变量的细节设计。由于设计变量的离散性，无法再使用RSM方法构造结构响应关于设计变量的全局近似函数，只能通过调用分析模型计算结构响应，出于计算成本的考虑，二级优化中只考虑结构的线性屈曲性能。在一般的复合材料铺层顺序优化中[19-21]铺层顺序的优化过程实际就是不同角度铺层的数量优化过程。而这里的铺层顺序优化为分级优化的第二级，按照常用的铺层顺序优化方法会导致板的截面尺寸发生变化，影响两级优化之间的迭代性，这里基于解决旅行商问题的遗传算法对复合材料铺层顺序进行优化。旅行商问题（TSP，TravelingSalesmanPro-blem）是典型的优化组合问题[22]。本文将每个铺层视为一个城市，而铺层顺序的优化就相当于城市访问顺序的优化。通过对解决旅行商问题的遗传算法程序进行修改，优化铺层顺序。与传统用于优化铺层顺序的遗传算法相比，改进算法最大的特点在于编码方法的不同。在旅行商问题中，访问的最后一个城市一定要与第一个城市相同，而在铺层顺序优化的编码中并没有这个要求。例如，若某复合材料铺层共由10层铺层组成[45/-45/0/0/90/90/0/0/45/-45]，给该10层分别编序号为1-10，得到待排序的铺层列表W，对该铺层顺序按照旅行商问题启发的方法进行编码，其个体的编码Coding，解码序列Sequence及对应新铺层如下所示。在旅行商问题中，遗传算法的适值为两个城市之间的距离，而在铺层顺序优化中，适值为结构响应这里即为结构的线性屈曲载荷，每获得一个个体的编码，解码为复合材料铺层，使用新铺层修改参数化建模脚本并调用有限元程序进行计算，得到不同个体也即铺层顺序所对应的适值。交叉与变异过程按照典型遗传算法方法处理。

1.3两级迭代优化由于两级优化模型的不同并且二级优化中并未考虑结构的后屈曲性能，由此需要对二级优化后的构型进行后屈曲分析，与一级优化后的结果进行比较，根据两级优化后结构响应的差值判断是否需要迭代优化。当两级优化后结构各响应平均差值在10%左右，认为结构已为最优构型，无需进一步迭代优化。整个优化策略可以整理为图1所示的优化流程图。

2剪切后屈曲分析模型

采用ABAQUS有限元分析软件建立复合材料加筋板后屈曲分析模型，使用Riks弧长法对加筋板的后屈曲行为进行数值模拟。采用一个四边固定框用于对板施加面内的剪切载荷，材料为钢，所有固定框的面外位移均约束为0，四边相连的角点采用Pin约束，即重合角点的三个平动自由度分别相等。在板的对角分别施加简支约束和沿对角线方向的位移，如图2[6]所示。后屈曲分析中考虑复合材料铺层中可能发生的五种失效形式：纤维拉伸破坏，纤维压缩破坏，基体拉伸破坏，基体压缩破坏，纤维-基体剪切失效。采用二维Hashin损伤判据判断失效的发生。该判据已成功应用到复合材料结构的强度预测上[4,6,22]。判断失效发生之后，通过对相应方向刚度的折减实现损伤演化过程。材料的刚度线性依赖于v1F-v3F三个变量，分别代表纤维失效、基体失效和纤维-基体剪切失效行为的发生，采用的是ChangandLesard’s刚度折损模型，具体折减过程如表1所示。为了有效模拟筋条和壁板之间的连接界面，引入胶层单元。胶层单元假设为各向同性材料，只考虑其z方向的正应力33和xz、yz平面内的剪应力13、23与相对应方向的应变33、13、23之间的本构关系如式(3)。界面单元的材料属性如表1所示。采用二次应力准则Quads来判定失效的发生如式（4）所示。其中：0(,,)itinst分别为3个方向上的强度，(,,)itinst分别为3个方向上的作用力。失效发生后，即判定失效准则表达式1ocF后使用刚度折损方式模拟损伤演化，令界面单元三个方向刚度均折损为原刚度的0.01[23]，见表1。

3优化算例

3.1初始设计AMBUR等[6]对一块复合材料双向加筋板进行了剪切条件下的后屈曲实验，本文取该复合材料双向加筋板作为优化设计的初始设计，基本尺寸如图3（a）所示。蒙皮和加筋条使用的是AS4/3501-6石墨环氧树脂材料，铺层顺序如图3（b）所示，0o，±45o，90o铺层的厚度分别为0.314mm，0.150mm，0.085mm。单层复合材料刚度及强度属性如表2所示。作为初始设计构型的复合材料加筋板在面内剪切载荷作用下的一阶屈曲模态如图4所示。屈曲失稳发生很早，主要表现为壁板中间的局部失稳。剪切后屈曲的载荷位移曲线如图5所示，与文献[6]中给出的实验及分析结果对比如表3所示，对比结果表明吻合良好,由于考虑了胶层的脱胶失效，极限载荷所对应的加载位移比文献[6]给出的结果更接近实验结果。在局部失稳发生之后，结构在后屈曲阶段仍能继续承受载荷，最终结构的主要失效方式是界面单元失效脱胶。通过该初始构型的屈曲后屈曲分析可知，该构型的主要问题在于局部屈曲过早发生，而后屈曲承载能力相比于屈曲承载能力有很大提升，因此对于该复合材料加筋板的优化应该在保证后屈曲承载能力不变的情况下，提高结构的一阶屈曲特征值，达到或者接近极限载荷所对应的位移的1/4-1/2，避免局部屈曲的过早发生。针对该初始设计选取加筋腹板高度H，加筋缘条宽度L，最外侧缘条距离板边的距离M以及单向加筋数目N为一级优化中的待优化设计变量。

3.2灵敏度分析对设计变量进行灵敏度分析，可以为设计变量的取值范围提供一定的参考依据，同时还可用于调整优化结果。对复合材料加筋板的有限元模型进行参数化建模。各设计变量的初始参数按初始设计中模型选取：H=50mm，L=25mm，M=40mm，N=2。选取腹板高度H的变化范围由35mm到70mm，缘条宽度L的变化范围由10mm到45mm，M的变化范围由20mm到100mm，而N的变化范围则由1到5之间。每次分析计算加筋板的线性屈曲特征值，破坏时加载端位移以及结构极限载荷，结构的质量响应W按照式（5）。

篇10

1层合结构层间应力理论分析

根据复合材料力学［14］，正交各向异性材料主方向应力－应变关系为。式（5）、式（6）和式（7）没有封闭解，利用力和位移边界条件通过有限差分法求解。即在xoy平面把所求区域划分为若干相同的小正方形格子，每个格子的边长都为h，假设某顶点0上的电位是U0，周围4个顶点的电位分别为u1，u2，u3和u4。将这几个点的电位用泰勒级数展开，当h很小时，忽略四阶以上的高次项，并考虑协调方程联立求解。

2复合材料层合结构数值模拟

设复合材料层合结构由4层厚度为t＝0．025m、长为2m的正方形单层板复合而成，各层铺设角分别为0°，45°，45°，0°，其几何模型如图1所示，单层板材料性能参数见表1［15］，层合结构上表面受均布载荷P0＝6kPa，分析其层间应力分布规律。利用ANSYS软件，采用SolidLayered46层单元，根据对称性，取其建立层合板有限元模型。表2为正交铺设层合板层间极值应力理论解与数值解对比结果，从表2中可以看出理论解与数值解吻合较好，最大相对误差不超过8．64％，这说明本文建立数值模型的正确性。

图2、图3分别为0°纤维铺设角复合材料层合板层间x－z方向和y－z方向的应力云图，从图中可以看出层间应力分布情况，其中固定端处层间应力数值最大，x－z方向和y－z方向层间极值应力分别为2．37MPa和1．82MPa。表3列举了不同铺设角下层间极值应力，从表中可以看出对称铺设层合板x－z方向层间应力随着中间层纤维铺设角的增大而减小，y－z方向层间应力随着纤维铺设角的增大而增大，纤维铺设角为（0°／0°／0°／0°）时层间剪应力τxz最大，数值为2．37×106Pa，纤维铺设角为（0°／90°／90°／0°）时层间剪应力τyz最大，数值为2．01×106Pa。图4、图5分别为x－z方向和y－z方向，纤维铺设角为0°／90°／90°／0°时，层合板对角线上各点层间应力随距离变化关系，从图中可以看出：在距o点距离为0～1．348m，层间应力随距离增大变化不大，在距离为1．348～1．418m，层间应力急剧增大，这表明复合材料层合板边缘为层间应力极值点，易于发生脱层效应。

3结论