導(dǎo)語：如何才能寫好一篇復(fù)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(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

持續(xù)提高復(fù)合材料的性能是航空復(fù)合材料基礎(chǔ)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(fù)合材料技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向指出，未來航空復(fù)合材料應(yīng)該具有更高的韌性性質(zhì)，體現(xiàn)在連續(xù)碳纖維增強的航空樹脂基復(fù)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(fù)合材料的壓縮強度主要由碳纖維的性能決定，而復(fù)合材料的CAI性質(zhì)則取決于樹脂材料的韌性，特別是復(fù)合材料的多尺度、多層次結(jié)構(gòu)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(yōu)點而沒有弱點的。從總體上看，碳纖維增強材料作為航空復(fù)合材料產(chǎn)生優(yōu)秀力學(xué)性能的基礎(chǔ)，它本身的韌性就很低，導(dǎo)致用碳纖維增強的樹脂基復(fù)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(jié)構(gòu)材料、特別是先進的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的韌性性能當然也是航空復(fù)合材料領(lǐng)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(fù)合材料”的設(shè)計里，在兩張薄玻璃層之間設(shè)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(jié)，這樣，在彈擊或撞擊事件發(fā)生時，夾層玻璃一般不會發(fā)生粉碎性、穿透性的災(zāi)難性破壞（圖2）。顯然，夾層玻璃設(shè)計沒有改變玻璃脆性的本質(zhì)，但通過層間插入改變了整個系統(tǒng)對外部沖擊的響應(yīng)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(fù)合材料的韌性性質(zhì)，特別是提高航空復(fù)合材料的沖擊后壓縮性質(zhì)，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(fù)合材料國防科技重點實驗室的材料科學(xué)家提出了復(fù)合材料層間增韌和層內(nèi)增剛的新概念，在2000年前后，在“離位”層間增韌方面，初步實現(xiàn)在保持復(fù)合材料比剛度和比強度的同時，大幅度提高復(fù)合材料的沖擊分層損傷阻抗與容限，這其中，一個關(guān)鍵的概念就是“離位”層間增韌技術(shù)，這個技術(shù)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(fù)合材料的沖擊損傷阻抗，可以在連續(xù)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(chǎn)雙馬來酰亞胺樹脂基復(fù)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(yīng)的沖擊后壓縮強度（CAI值）的對比，比較發(fā)現(xiàn)，“離位”層間增韌不僅提高了復(fù)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(fù)合材料的沖擊后剩余壓縮強度（沖擊損傷容限）。

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

“離位”增韌的材料科學(xué)基礎(chǔ)

那么，這些不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的樹脂基復(fù)合材料沖擊損傷阻抗和損傷容限得到提高的材料學(xué)機制是什么呢？現(xiàn)代材料科學(xué)告訴我們，決定材料使用性能的關(guān)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(nèi)部的多尺度、多層次的微結(jié)構(gòu)，因此，根據(jù)“離位”層間增韌在連續(xù)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(jié)構(gòu)是另一回事。大量的基礎(chǔ)研究工作表明，雙連續(xù)、顆粒化的微觀結(jié)構(gòu)將有利于提高材料的沖擊韌性，因為在這種結(jié)構(gòu)里，裂紋的引發(fā)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(jié)構(gòu)是一種高韌化的微結(jié)構(gòu)。根據(jù)這個思路，重點實驗室的科研人員通過材料熱力學(xué)和動力學(xué)的研究，研制獲得了這種雙連續(xù)、顆粒化的熱塑性高分子/熱固性高分子復(fù)相微觀結(jié)構(gòu)，選用的樹脂材料對象就是我國航空工業(yè)的主要復(fù)合材料品種（圖3）。

需要指出，“離位”增韌技術(shù)的第二個條件是“定域”，就是說，必須把這種雙連續(xù)、顆?；奈⒂^結(jié)構(gòu)準確地放置在層狀復(fù)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(fù)合材料在高增強纖維體積分數(shù)條件下的比剛度和比強度。圖4所示是一個國產(chǎn)高溫環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的碳纖維鋪層間的微結(jié)構(gòu)形貌，照片中，特征性的雙連續(xù)、顆粒狀的環(huán)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(xù)的顆粒微結(jié)構(gòu)已經(jīng)淺層滲透進入了碳纖維鋪層內(nèi)約幾根碳纖維直徑的深度，其后，基體樹脂仍舊保持為環(huán)氧連續(xù)相。事實上，正是因為這個淺層滲透的雙連續(xù)顆粒結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(chǎn)生“犁地”效應(yīng)，在裂紋擴展時引發(fā)大量纖維的拔出和斷裂，導(dǎo)致裂紋擴展或分層的阻力成倍地增長。

根據(jù)以上的觀測結(jié)果，可以初步建立一個“離位”復(fù)合材料的層結(jié)構(gòu)模型（圖5），初始被表面附載而預(yù)置在碳纖維鋪層間的熱塑性樹脂層經(jīng)過熱固性樹脂的擴散、交聯(lián)固化，特別是經(jīng)過相分離、相反轉(zhuǎn)和相粗化等一系列熱力學(xué)和動力學(xué)過程，形成為一個跨層間的獨特的熱固性樹脂連續(xù)結(jié)構(gòu)，其形貌特征是連續(xù)的顆粒結(jié)構(gòu)，與此同時，熱塑性樹脂也是連續(xù)地分布在熱固性樹脂顆粒之間，即“雙連續(xù)”。特別是這種雙連續(xù)結(jié)構(gòu)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(nèi)，從而產(chǎn)生機械互鎖效應(yīng)。

概念性研究成果的工程化放大

為了將這個基礎(chǔ)研究的成果推向工業(yè)應(yīng)用，在中航工業(yè)創(chuàng)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(yù)浸機上把“離位”表面附載技術(shù)進行了連續(xù)化放大試驗，結(jié)果令人滿意。由此獲得的預(yù)浸料產(chǎn)品命名為ES?-Prepreg預(yù)浸料，北京航空材料研究院獲得這個產(chǎn)品的注冊商標。

篇2

關(guān)鍵詞:納米復(fù)合材料；特性；制備技術(shù)；應(yīng)用

1 引言

“納米復(fù)合材料”的提出是在20 世紀80 年代末期,由于納米復(fù)合材料種類繁多以及納米相復(fù)合粒子具有獨特的性能,使其一出現(xiàn)即為世界各國科研工作者所關(guān)注,并看好它的應(yīng)用前景。根據(jù)國際標準化組織的定義,復(fù)合材料就是由2種或2種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固態(tài)材料。在復(fù)合材料中,通常有一種為連續(xù)相的基體和分散相的增強材料。由于納米復(fù)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(chǎn)生了單一材料所不具備的新性能,開創(chuàng)了材料設(shè)計方面的新局面,因此研究納米復(fù)合粒子的制備技術(shù)有著重要的意義。

納米復(fù)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(fù)合而成。納米復(fù)合材料也可以是指分散相尺寸有一維小于100 nm的復(fù)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(chǔ)上,針對納米復(fù)合材料的主要性能與特點、制備技術(shù)、主要應(yīng)用及應(yīng)用前景等作了比較詳細的介紹和展望。

2納米復(fù)合材料的性能與特點

2. 1納米復(fù)合材料的基本性能

納米復(fù)合材料在基本性能上具有普通復(fù)合材料所具有的共同特點:

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

2) 性能的可設(shè)計性 。當強調(diào)紫外線光屏蔽時,可選用TiO2 納米材料進行復(fù)合;當強調(diào)經(jīng)濟效益時,可選用CaCO3 納米材料進行復(fù)合。

2. 2納米復(fù)合材料的特殊性質(zhì)

由無機納米材料與有機聚合物復(fù)合而成的納米復(fù)合材料具有獨特的性能:

1) 同步增韌、增強效應(yīng)。納米材料對有機聚合物的復(fù)合改性則可在發(fā)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(fù)合改性最顯著的效果之一。

2) 新型功能高分子材料。納米復(fù)合材料以納米級水平平均分散在復(fù)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(zhuǎn)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(fù)合材料有更高的強度和彈性模量,加入很少量( 3% ～5%,質(zhì)量分數(shù))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(fù)合材料的強度、彈性模量就越大。

4) 阻隔性能。對插層納米復(fù)合材料能顯著地提高復(fù)合材料的耐熱性及尺寸的穩(wěn)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(fù)合材料的制備技術(shù)

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

2. 1機械化學(xué)法

采用機械化學(xué)法對超細粉體進行表面改性。機械化學(xué)法具有處理時間短、反應(yīng)過程易控制、可連續(xù)批量生產(chǎn)的優(yōu)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(fù)合材料的方法主要包括物理氣相沉淀法和化學(xué)氣相沉淀法。

1) 物理沉淀法是最早用來制備單一物質(zhì)的納米材料的經(jīng)典物理制備方法。

2) 氣相反應(yīng)法是以揮發(fā)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(xué)反應(yīng)來制成超細復(fù)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(fù)合材料的重要方法。

2. 4固相反應(yīng)法

固相反應(yīng)法是指固體直接參與化學(xué)反應(yīng)并發(fā)生化學(xué)變化,同時在固體內(nèi)部或外部至少有1個過程起控制作用的反應(yīng)。

3納米復(fù)合材料的應(yīng)用

納米復(fù)合材料是隨著納米技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型材料,由于納米復(fù)合材料特殊的性能,所以它一經(jīng)產(chǎn)生便引起了人們的極大關(guān)注,并被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟各領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域。

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

4結(jié)束語

納米復(fù)合材料作為一種新型的納米材料,以其優(yōu)良的性能和特點以及眾多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域正日益成為研究和開發(fā)的重點。世界發(fā)達國家正在部署的未來10年～15年納米研究發(fā)展規(guī)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(shù)探索計劃”,都已把納米材料列為重點發(fā)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(xué)”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(guān)科技創(chuàng)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(chǔ)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(chǎn)業(yè)化的程度方面來看,仍與發(fā)達國家存在著較大差距。因此,我們應(yīng)盡快制定納米技術(shù)發(fā)展計劃,加快納米復(fù)合材料研究和開發(fā)的進程。

參考文獻:

[ 1 ] 張立德,牟季美. 納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M ]. 北京:科學(xué)出版社, 2001.

[ 2 ] Zhang Rubing. The study on p reparation technology ofnanometer composite materials (Ⅰ) [ J ]. Chinese Journalof Exp losives & Propellants, 1999, 22 (1) : 45248.

[ 3 ] 生瑜,欽,陳建定. 聚合物基無機納米復(fù)合材料的制備方法[ J ]. 高分子通報, 2001 (4) : 9213.

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關(guān)鍵詞：復(fù)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(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件系統(tǒng)開發(fā),

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

膠接接頭分平面內(nèi)接頭和非平面內(nèi)接頭2類.對平面內(nèi)膠接接頭的強度影響因素和失效分析在理論、試驗和數(shù)值模擬等方面的研究已比較充分；而非平面內(nèi)膠接接頭的結(jié)構(gòu)形式相對復(fù)雜，目前主要有T形［4-5］、L形［6-7］和π形［3,8-9］等結(jié)構(gòu)形式尚有待深入進行試驗和數(shù)值模擬研究.膠接接頭的失效預(yù)測主要采用基于應(yīng)力應(yīng)變的方法［4,6-8］和斷裂力學(xué)方法［5,9］.前者依據(jù)失效準則判斷失效，包括最大應(yīng)力準則、最大應(yīng)變準則、TsaiWu張量準則和Hashin準則等；后者假設(shè)有初始裂紋，通過對比應(yīng)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(jié)構(gòu)，故較少應(yīng)用.

針對某復(fù)合材料π接頭，采用基于應(yīng)力應(yīng)變的失效判別方法，同時考慮復(fù)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(shù)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(guān)鍵指標進行判別.

1復(fù)合材料π接頭結(jié)構(gòu)形式

某復(fù)合材料π接頭結(jié)構(gòu)示意見圖1.

圖 1某復(fù)合材料π接頭結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)WMKHT尺寸1102.4501606參數(shù)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(fù)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(fù)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(jié)點的3個方向位移，復(fù)合材料π接頭有限元模型見圖2.

2漸進失效模型

復(fù)合材料層合板和膠層漸進的損傷都會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度下降，破壞復(fù)合材料接頭結(jié)構(gòu)，因此在建立該接頭的漸進失效模型中應(yīng)同時考慮復(fù)合材料的失效和膠層的失效.

2.1復(fù)合材料失效準則

考慮復(fù)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(fù)合材料失效判據(jù).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(fù)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(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力值，材料是線彈性的；當積分點的最大主應(yīng)力達到材料的屈服應(yīng)力時，膠層材料進入塑性狀態(tài)，就會有無限制的塑性流動，即判斷為膠層失效.塑性區(qū)隨著外載荷的增加而擴展，當擴展到整個膠層時，就會發(fā)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(yīng)于復(fù)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(yīng)力值代入式(1)～(5)，求得5個狀態(tài)變量e2ft，e2fc，e2mt，e2mc和e2d，存儲為狀態(tài)變量.當其值超過1時，對應(yīng)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(fù)合材料參數(shù)與場變量關(guān)系見表2.對于膠層材料，以單元積分點最大主應(yīng)力為狀態(tài)變量，同樣當其值超過膠層材料的屈服應(yīng)力時，Vf6賦值為1且保持不變.

表 2復(fù)合材料參數(shù)與場變量關(guān)系

Tab.2Relations between composite parameters and field variables材料狀態(tài)材料彈性參數(shù)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(fù)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(jù)上一載荷下材料的場變量獲得材料參數(shù)組裝結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jù)失效準則判斷復(fù)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(shù)調(diào)整，存儲場變量作為下一載荷材料退化的標志；

(6)重復(fù)步驟(2)，直到載荷達到預(yù)定值時結(jié)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(jié)果與分析

數(shù)值模擬考慮以下3種不同的情況：(1)復(fù)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(fù)合材料的失效，而膠層材料仍為線彈性；(3)同時考慮復(fù)合材料和膠層的失效.3種情況下數(shù)值模擬得到的載荷-位移曲線見圖5.

3.1復(fù)合材料層合板的失效

圖6（圖中顏色較深的區(qū)域表示失效區(qū)域）給出考慮復(fù)合材料和膠層失效情況下，載荷為2.00 kN時π接頭出現(xiàn)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(fā)生初始失效的載荷為2.12 kN，初始失效發(fā)生在拐角處.與試驗結(jié)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(qū)域不斷擴展.試驗結(jié)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(xiàn)很大的變形，說明此處層合板的破壞使得結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在5.5 kN時發(fā)生最終破壞，與試驗數(shù)據(jù)偏差小于4%.圖8（深色區(qū)域是失效區(qū)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(fā)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(xiàn)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(qū)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(qū)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(fā)生在2.5 kN時，由圖5也可看出曲線在此出現(xiàn)分叉.隨著載荷的增加塑性區(qū)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(qū)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(qū)域完全失效，膠層3靠近拐角處的區(qū)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(jié)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(yīng)力分布的變化，導(dǎo)致失效形式發(fā)生改變.同樣，當層合板發(fā)生失效時，膠層將傳遞更大的載荷，從而導(dǎo)致失效.膠層失效和復(fù)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(yīng)力區(qū)域?qū)雍习宓膽?yīng)力分布，從而可更準確地預(yù)測層合板的失效.

4結(jié)論

基于Abaqus編制復(fù)合材料π接頭剛度退化程序，用于該結(jié)構(gòu)在給定加載方式下的失效分析，計算結(jié)果表明：

(1)采用Hashin準則和Ye分層準則作為復(fù)合材料失效判據(jù)，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(fù)合材料π接頭結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)果，可知考慮膠層失效能更準確地計算復(fù)合材料π接頭高應(yīng)力區(qū)域的應(yīng)力分布，從而更準確地分析接頭失效形式.

(3)復(fù)合材料π接頭L形板的圓角處、填料和一形層是高應(yīng)力區(qū)，初始失效發(fā)生在L形板圓角處；隨著載荷的增加，失效區(qū)域不斷擴展；整體結(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞：碳纖維；復(fù)合材料；應(yīng)用

0 前言

碳纖維復(fù)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(xué)技術(shù)，隨著碳纖維復(fù)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(chǎn)品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 碳纖維復(fù)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(shù)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(fù)合材料的應(yīng)用

2.1 土木建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

水泥在土木建材領(lǐng)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(xiàn)在用混凝土或水泥做基體制成的碳纖維增強復(fù)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(qū)有很大的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fù)合材料片，拉伸模量高、拉伸強度大，廣泛應(yīng)用于加固受損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(lǐng)域的應(yīng)用

航空工業(yè)最早大量采用碳纖維復(fù)合材料。在航空工業(yè)中，飛行器的質(zhì)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(zhì)量比傳統(tǒng)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(nèi)壁板、后機身蒙皮、水平安定面等都由碳纖維復(fù)合材料制成。美國的“超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機、法國的“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機、歐洲的“臺風(fēng)”戰(zhàn)斗機都大量使用碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料在航空工業(yè)上有著巨大的應(yīng)用潛力[3]。

碳纖維復(fù)合材料可以減輕火箭和導(dǎo)彈的重量，加大火箭和導(dǎo)彈的射程，提高落點的精度[4]。美國的戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈和三叉戟-2型導(dǎo)彈的發(fā)動機殼體采用的就是碳纖維復(fù)合材料。我國早在上世紀八十年代就在某型海防導(dǎo)彈上成功采用了碳纖維復(fù)合材料，使導(dǎo)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(fù)合材料。人造衛(wèi)星展開式太陽能電池板也多采用碳纖維復(fù)合材料制作。目前碳纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)隱身材料也已經(jīng)得到了某些應(yīng)用[5]。

2.3 石油工業(yè)的應(yīng)用

美國經(jīng)過多年的努力，在20世紀90年代初研制成功了碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿，試驗結(jié)果表明: 碳纖維復(fù)合材料連續(xù)抽油桿克服了普通鋼抽油桿質(zhì)量大、能耗高、失效次數(shù)多、活塞效應(yīng)大、作業(yè)速度慢、易磨損的缺點，是一種很有發(fā)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(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè),拓寬碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)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(fù)合材料,則每個平臺僅消耗1.3萬噸的碳纖維復(fù)合材料。深海油氣田將是碳纖維復(fù)合材料發(fā)揮作用的重要領(lǐng)域。

2.4 汽車工業(yè)、高速列車及體育用品中的應(yīng)用

碳纖維擴大應(yīng)用的最大希望在于在汽車工業(yè)的應(yīng)用。在汽車車身、零部件中使用碳纖維復(fù)合材料，不但可以降低汽車的重量，而且可以更加經(jīng)濟環(huán)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(tǒng)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(chǎn)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(lián)合研制應(yīng)用在汽車上的先進碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料剎車片主要用于高速列車，是碳纖維復(fù)合材料的又一重要應(yīng)用。日本、法國已經(jīng)成功地將碳纖維復(fù)合材料剎車片應(yīng)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(fù)合材料盤型制動器。隨著我國高速列車的飛速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料剎車片有著廣闊的發(fā)展空間。碳纖維復(fù)合材料在運動器材中也得到了廣泛應(yīng)用。包括高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、滑雪板、釣魚竿、自行車架、冰球拍、船槳、賽艇等，都已經(jīng)形成了成熟的市場。

3 結(jié)語

目前我國碳纖維復(fù)合材料發(fā)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(fù)合材料的發(fā)展與發(fā)達國家相比還有很大差距，碳纖維復(fù)合材料還需要大量進口，在碳纖維的低成本上和復(fù)合材料成型技術(shù)上我們還要花很大的力氣。

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篇5

2、與傳統(tǒng)金屬部件相比，疲勞和腐蝕的影響較小。

復(fù)合材料種類：

1、玻璃纖維

目前用于高性能復(fù)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(fù)合材料不僅應(yīng)用在軍用方面，近年來民用產(chǎn)品也有廣泛應(yīng)用，如防彈頭盔、防彈服、直升飛機機翼、預(yù)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(yōu)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(jié)構(gòu)的耐高溫、耐燒蝕的復(fù)合材料部件，大量應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈的防熱材料。迄今為止，我國已經(jīng)實用化的高性能樹脂基復(fù)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(chǎn)權(quán)，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段年產(chǎn)可達500噸。

2、碳纖維

碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、導(dǎo)電等一系列性能，首先在航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，近年來在運動器具和體育用品方面也廣泛采用。據(jù)預(yù)測，土木建筑、交通運輸、汽車、能源等領(lǐng)域?qū)笠?guī)模采用工業(yè)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(yè)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(chǎn)碳纖維的主要問題是性能不太穩(wěn)定且離散系數(shù)大、無高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長度不夠、未經(jīng)表面處理、價格偏高等。

3、芳綸纖維

篇6

在航空制造業(yè)中，基于CAD模型的產(chǎn)品設(shè)計與制造已經(jīng)成為主流模式。作為新一代的CAD技術(shù)，基于模型定義（ModelBasedDefinition，MBD）技術(shù)在航空工業(yè)的應(yīng)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(shù)據(jù)源頭攜帶貫穿產(chǎn)品全生命周期所需的各種信息?；贛BD的制造模式一經(jīng)推出，就被認為是航空工業(yè)革命性的變革，在這一數(shù)字化浪潮中，航空工業(yè)面臨前所未有的挑戰(zhàn)和機遇，如何利用MBD技術(shù)帶來的發(fā)展契機，重塑航空制造流程成為工程領(lǐng)域研究的熱點問題。目前，航空器上的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)正朝著大型化、整體化的方向不斷發(fā)展，復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為衡量航空器先進性與安全性的重要標志。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制造依賴過程控制，需要定義工藝設(shè)計、成型工藝裝備、設(shè)備控制和檢驗所需的模型。因此研究面向制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的三維集成化實體模型是航空制造業(yè)能否順應(yīng)MBD這一新制造模式發(fā)展潮流要解決的關(guān)鍵問題之一。制造模型是制造數(shù)據(jù)鏈的核心，是設(shè)計意圖表示的唯一載體，是制造企業(yè)完成產(chǎn)品制造及檢驗的唯一依據(jù)[2]。MBD模式下制造模型（工藝模型）的定義、表示和應(yīng)用是學(xué)者與工程技術(shù)人員研究的重點。文獻[3]指出在MBD模式下，產(chǎn)品的設(shè)計制造數(shù)據(jù)都應(yīng)該以結(jié)構(gòu)化形式集成到CAD模型中以更好支持產(chǎn)品全生命周期各個階段的活動，在此基礎(chǔ)上提出一種基于質(zhì)量功能展開的MBD模型應(yīng)用方法。文獻[4]研究了基于MBD的三維數(shù)字化制造體系，分析了基于MBD的數(shù)字化定義技術(shù)、工藝設(shè)計與仿真技術(shù)、工藝裝備設(shè)計制造集成技術(shù)、數(shù)字化檢測與質(zhì)量控制技術(shù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)集成技術(shù)。文獻[5]提出一種利用加工知識創(chuàng)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(jié)合鈑金零件成型特點，分析了鈑金零件數(shù)字化制造模型的結(jié)構(gòu)、組成及各個狀態(tài)的定義。文獻[8]針對當前的MBD模型缺乏基于特征的模型數(shù)據(jù)表示而不能很好應(yīng)用于制造領(lǐng)域的現(xiàn)狀，從模型重用的角度提出一種基于加工特征的多層次結(jié)構(gòu)化的MBD模型表示。文獻[9]指出識別和理解幾何設(shè)計意圖是MBD模型重用的關(guān)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(shè)計意圖。文獻[10]研究了基于MBD的裝配工藝數(shù)據(jù)模型，分析了其中的信息種類和具體組成以及數(shù)據(jù)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(lǐng)域比重越來越大的復(fù)合材料，這與航空制造技術(shù)的發(fā)展潮流不相匹配。針對這一現(xiàn)狀，開展基于MBD的復(fù)合材料制造模型研究。

2數(shù)字化制造對MBD技術(shù)的需求

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的數(shù)字化制造要求從產(chǎn)品制造全過程不同階段的不同需求來全面描述產(chǎn)品的工程信息，而數(shù)字化制造對產(chǎn)品建模提出的新要求根源于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造的兩個工程特征。（1）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強可設(shè)計性和“增材制造”特性要求3D集成化的模型表示。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，考慮承載、環(huán)境以及功能需求等設(shè)計因素，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通常設(shè)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(xiàn)了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強可設(shè)計性，但對模型的表示也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的復(fù)合材料數(shù)字化制造模式中，3D模型表示結(jié)構(gòu)的幾何，而鋪層等細節(jié)設(shè)計意圖通過2D圖紙的形式表示，造成產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的分離，不僅不利于對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理，還為工藝人員帶來沉重的根據(jù)2D圖紙上的尺寸信息從3D模型上重新設(shè)計工藝鋪層的任務(wù)。而MBD技術(shù)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)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(xiàn)力。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(yīng)的工裝設(shè)計也需要在3D設(shè)計模型的基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的擴展和修正，才能得到最終的3D工裝數(shù)模。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型工裝是設(shè)計數(shù)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(fù)合材料成型工裝并使之與設(shè)計數(shù)模關(guān)聯(lián)，將有效加強產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理。因此，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造特性易于與MBD技術(shù)融合。（2）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型的多工序性要求面向工藝過程表達的中間模型。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(shè)計數(shù)模表示的是最終零件的成型態(tài)，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(shè)計態(tài)。在工程實踐中，根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特點，對工藝過程進行適當?shù)膭澐郑纬蓮?fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型工序，通常采用先成型主體結(jié)構(gòu)，再通過二次膠接或模壓共固化的方式完成構(gòu)件成型，最后利用相應(yīng)的夾具夾持構(gòu)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(shù)字化定義，以便開展數(shù)字化工裝設(shè)計、數(shù)字化工藝設(shè)計、設(shè)備控制、檢驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計等。在工藝過程中，工藝準備過程的模型作為依據(jù)，驅(qū)動制造的物理過程。因此，要為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造過程提供依據(jù)，必須使用數(shù)字量表達和定義的相互關(guān)聯(lián)的中間模型。

3基于MBD的復(fù)合材料制造模型

3.1制造模型的組成分析

設(shè)計部門發(fā)放的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的MBD模型是按照構(gòu)件的功能進行定義的，僅包含了構(gòu)件最終的幾何模型及其工藝信息，并不考慮構(gòu)件制造的中間狀態(tài)，而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的大型化、整體化、形狀復(fù)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(yīng)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(jié)構(gòu)最終的成型質(zhì)量。同時，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成型過程中，需要相應(yīng)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(shè)計模型進行修改（如將設(shè)計數(shù)模拆分成對應(yīng)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(yīng)的工藝鋪層等）。因此，設(shè)計MBD模型難以直接應(yīng)用于數(shù)字化工藝設(shè)計。通過對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型工藝過程進行分析，考慮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型過程中的典型狀態(tài)，分析了制造模型的組成，如圖1所示。初始模型，主要作為預(yù)浸料數(shù)控下料、成型工裝設(shè)計的依據(jù)。初始模型以設(shè)計模型為數(shù)據(jù)源，結(jié)合工藝特征，利用數(shù)字化設(shè)計、計算機仿真和專家經(jīng)驗設(shè)計構(gòu)建。下料數(shù)據(jù)通過對設(shè)計模型曲面展開得到，其形狀直接影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(jù)有限元網(wǎng)格的變形情況，確定剪口的方式；特別地，對尺寸大或曲面復(fù)雜的構(gòu)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(jié)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(shè)計模型的基礎(chǔ)上，考慮成型過程的物理環(huán)境，通過有限元仿真確定溫度場和壓力場，以此為依據(jù)結(jié)合已有的專家經(jīng)驗，對模具型面進行相應(yīng)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(shè)計、數(shù)控程序設(shè)計、檢驗量具設(shè)計、表面處理工藝參數(shù)設(shè)計等，包括組成復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的小件的3D集成化實體模型，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(yīng)用于檢驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計，數(shù)控程序設(shè)計的3D集成化模型。利用該模型對成型的復(fù)合材料主體結(jié)構(gòu)添加相應(yīng)的設(shè)計孔特征，關(guān)鍵裝配面精度保證的數(shù)控加工程序設(shè)計，如銑端面等，并對結(jié)構(gòu)預(yù)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(tǒng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造過程中，產(chǎn)品信息的關(guān)聯(lián)性差，設(shè)計數(shù)模、工裝數(shù)模、2D工裝制造圖紙、3D鋪層模型、2D的鋪層排樣數(shù)據(jù)，以及2D數(shù)字化工藝設(shè)計中的成型參數(shù)等工程信息緊密相關(guān)但以散亂、各異的形式存在于制造過程中，為企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理帶來巨大的挑戰(zhàn)。基于MBD的制造模式下，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(shè)計信息與3D模型緊密關(guān)聯(lián)。通過對復(fù)合材料工藝設(shè)計過程涉及到的信息以及工藝設(shè)計信息與模型之間的關(guān)系進行分析，結(jié)合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的成形工藝特點，利用各個階段模型之間的關(guān)聯(lián)性確定了制造模型組成部分之間的相關(guān)關(guān)聯(lián)。制造模型定義采用“階段劃分-模型定義-模型優(yōu)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(shù)字化設(shè)計制造理念，更需要企業(yè)在長期生產(chǎn)實踐中積累的大量工藝知識。在CATIA、FiberSIM等先進數(shù)字化軟件平臺的支持下，根據(jù)企業(yè)積累以及自身特色形成的復(fù)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(shè)計、預(yù)浸料下料數(shù)據(jù)的源數(shù)據(jù)。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(gòu)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(huán)境中顯示，可通過多視圖管理實現(xiàn)相應(yīng)信息的選擇、縮放、隱藏和顯示等操作。應(yīng)用層，是基于3D幾何模型和擴展層的應(yīng)用，以兩者作為基礎(chǔ)面向整個制造流程的應(yīng)用，如成型工裝設(shè)計制造、檢驗工裝設(shè)計制造，預(yù)浸料下料數(shù)據(jù)以及鋪層的激光投影數(shù)據(jù)的生成、機械加工的數(shù)控程序設(shè)計，裝夾定位工裝的設(shè)計制造，表面處理方法等。應(yīng)用層的信息以索引的方式與擴展層、實體層關(guān)聯(lián)，需要根據(jù)企業(yè)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(fù)合材料數(shù)字化制造中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的復(fù)合材料數(shù)字化制造往往側(cè)重制造過程的某個環(huán)節(jié)，缺乏對整個制造過程所涉及的所有環(huán)節(jié)的系統(tǒng)考慮。基于MBD的復(fù)合材料制造模型以集成化的3D模型表示將復(fù)合材料成型各個環(huán)節(jié)緊密結(jié)合在一起，是先進復(fù)合材料制造體系的有機組成。從系統(tǒng)學(xué)的角度而言，以制造模型為核心的復(fù)合材料數(shù)字化制造體系對復(fù)合材料制造的各個環(huán)節(jié)進行了嚴密的數(shù)字化定義，以數(shù)字量傳遞和控制成型模具設(shè)計、檢驗設(shè)計、制造指令設(shè)計、工藝參數(shù)設(shè)計等，實現(xiàn)了快速、精密、高質(zhì)量成型，有效降低了生產(chǎn)成本和縮短了制造周期。基于MBD的復(fù)合材料制造模型應(yīng)用方案，如圖3所示。

4結(jié)束語

篇7

家具設(shè)計應(yīng)在物質(zhì)技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，與材料、結(jié)構(gòu)、工藝密切結(jié)合，盡量做到材料多樣化，產(chǎn)品標準化，零部件通用化，使所設(shè)計的產(chǎn)品與現(xiàn)有的技術(shù)裝備及工藝水平相適應(yīng)，避免設(shè)計與生產(chǎn)實際脫節(jié)。同時，物質(zhì)技術(shù)條件是實現(xiàn)使用功能要求和造型藝術(shù)的重要保證。

2木塑復(fù)合材料的設(shè)計屬性

2.1外觀屬性

材料的外觀屬性通常包括形態(tài)、色彩、肌理等方面。木塑復(fù)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(shù)情況下只能呈現(xiàn)直線狀態(tài)[4]。木塑型材的通孔設(shè)計（圖5）一方面可以豐富木塑復(fù)合材料的形態(tài)特征，使其呈現(xiàn)多變的斷面形態(tài)，同時可以減輕重量，從而節(jié)約成本。在木塑復(fù)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(fù)合材料的深入探究以及技術(shù)的突破，木塑產(chǎn)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(fù)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(fù)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(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中。木塑復(fù)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(fù)合材料專用螺釘連接，相關(guān)實驗表明，螺釘連接的木塑構(gòu)件可以進行多達十次的拆裝[7]。

2.3其它性能

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

3木塑公共家具設(shè)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(fù)合材料具有優(yōu)良的阻燃性能，適用于公共場所。這里把木塑復(fù)合材料設(shè)計成長短不一的條狀板，以點、線、面的概念，構(gòu)成木塑露天桌椅（圖8）。整套桌椅統(tǒng)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(huán)境的整體感。在材料上，木塑復(fù)合材料的凹凸肌理與金屬的精致肌理形成對比，木塑復(fù)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(fù)合材料的組合也可呈現(xiàn)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(xiàn)代感。在結(jié)構(gòu)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(xiàn)代商業(yè)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(shè)計成四面均帶凹槽的結(jié)構(gòu)，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(shù)制成，可標準化批量生產(chǎn)。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(chǎn)，利用木塑復(fù)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(jié)合人體工效學(xué)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(shè)計成多段拼搭結(jié)構(gòu)，根據(jù)書籍的尺寸大小，其凹凸肌理按照比例進行合理設(shè)計，利于層板的高度調(diào)節(jié)，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(shè)計，使相鄰兩書柜柜體共用同一塊旁板，一方面可根據(jù)室內(nèi)空間的大小對書架數(shù)量進行調(diào)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(chǎn)成本。

3.3等候椅與花壇

據(jù)調(diào)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(zhì)，這種材質(zhì)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(fù)合材料繼承了木材和塑料的雙重性質(zhì)，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(shè)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(shè)計是為了便于使用者根據(jù)空間大小來調(diào)節(jié)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(fù)合材料在生產(chǎn)過程中通過增加著色劑可以造出各種色彩的產(chǎn)品，這款公共場所的休息椅正是運用這一特性，設(shè)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(jié)構(gòu)上采用螺釘連接。此外，設(shè)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(shù)量可根據(jù)場所需要自由調(diào)整（圖16）。

4結(jié)語

篇8

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

現(xiàn)將會議上的幾個主要議題介紹如下。

一、新材料的開發(fā)與材料應(yīng)用

材料在人類生存、發(fā)展和科技進步中的重要作用不闡自明。人類社會在經(jīng)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(fù)合材料時代.

新材料、新技術(shù)的發(fā)展經(jīng)常是從軍事工業(yè)開始而后轉(zhuǎn)入民用。新型航空航天器、作戰(zhàn)武器和各種新技術(shù)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(yīng)商為滿足這些要求，而研制生產(chǎn)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(fù)合材料。然而，對于民用產(chǎn)品來講，更多考慮的是性能/價格比和產(chǎn)品的市場競爭力。根據(jù)此次的歐洲復(fù)合材料大會CEPP出版物載文統(tǒng)計，就整個復(fù)合材料工業(yè)而言，對“高性能復(fù)合材料”需求的增長遠遠低于民用工業(yè)常用的復(fù)合材料。在1995年歐洲消費的1300萬噸復(fù)合材料中，高性能復(fù)合材料僅占0.38%，其余絕大部分是玻璃纖維增強的復(fù)合材料。其中玻璃纖維用戶在運輸業(yè)占23%，建筑業(yè)占20%，電子電氣占 17%，工業(yè)器材占20%，體育、娛樂及消費品占14%，軍事及其它僅占6%～7%。據(jù)分析，由于當前對軍費的限制，先進復(fù)合材料及其在軍事上的應(yīng)用不會一帆風(fēng)順。在1994年出現(xiàn)的玻璃纖維極度匱乏之后，生產(chǎn)廠家決定增加玻璃纖維的產(chǎn)量，1995年僅歐文斯考寧(Owens Corning)一家公司就增產(chǎn)10萬噸。

隨著玻璃纖維復(fù)合材料在民用工業(yè)上應(yīng)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(tǒng)TRE制品的3 倍，其單向纖維制品強度為傳統(tǒng)TRE單向纖維制品的7倍。這種纖維復(fù)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(zhì))是高技術(shù)纖維。此外，單向聚丙烯纖維復(fù)合材料具有低密度和優(yōu)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(huán)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(fā)或使用一種以雙環(huán)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(huán)使用問題:回收廢舊復(fù)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(jié)構(gòu)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?zhèn)鹘y(tǒng)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(nèi)固化，比在烘箱固化省時，節(jié)能90%，此膠主要用于汽車等交通運輸業(yè)。

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

二、復(fù)合材料新工藝

對于樹脂基復(fù)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(xué)(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(jīng)濟地生產(chǎn)大型整體構(gòu)件且不污染環(huán)境。

另據(jù)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(gòu)的一項預(yù)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(fù)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(fù)合材料構(gòu)件的世界上最大的性能優(yōu)異的設(shè)備。在此設(shè)備中，電子加速器代替了傳統(tǒng)的爐子和烘箱。在不升高溫度且十分經(jīng)濟的條件下使大厚度、大尺寸的構(gòu)件聚合固化。這種設(shè)備就象一臺工業(yè)微波爐!在Technopolis預(yù)研項目中準備試驗多種復(fù)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(huán)氧復(fù)合材料的火車轉(zhuǎn)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(gòu)件，意大利的潛艇公司準備生產(chǎn)一個玻璃/聚酯艇艙。從以上 1∶1試驗件生產(chǎn)研制過程可探索此種“高級微波爐”的優(yōu)點及用于不同種類纖維、樹脂復(fù)合材料的工業(yè)生產(chǎn)的可行性。此項工作自1991年開始已取得進展。

三、復(fù)合材料生產(chǎn)設(shè)備與自動化

復(fù)合材料制品的生產(chǎn)設(shè)備與自動化程度取決于所采用的材料與工藝。一些高技術(shù)產(chǎn)品因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需采用手糊、鋪層、接觸模壓等工藝，其設(shè)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(yè)技術(shù)設(shè)備自動化程度都越來越高，配合原材料的質(zhì)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(xiàn)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(fù)合材料或其它復(fù)合材料生產(chǎn)過程的雙流熱匯系統(tǒng)(hydrothermic double flux system)。

四、發(fā)揮航天優(yōu)勢，在復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)的“軍轉(zhuǎn)民”上下功夫

航天工業(yè)是高科技產(chǎn)業(yè)，代表著尖端技術(shù)。新型航天器的挑戰(zhàn)性需求永遠是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的引導(dǎo)力量。隨著世界冷戰(zhàn)狀態(tài)的結(jié)束，改革開放的形勢，要求航天事業(yè)不僅僅是面向軍品，更要面向國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場。要把航天的技術(shù)、人才優(yōu)勢和研究成果轉(zhuǎn)向為四個現(xiàn)代化做貢獻，即“軍轉(zhuǎn)民”。

“軍轉(zhuǎn)民”關(guān)鍵在一個“轉(zhuǎn)”字。首先要轉(zhuǎn)變僅僅“吃皇糧、干軍品”的思想，也要轉(zhuǎn)變“大軍品、小民品”的觀念。航天工業(yè)應(yīng)是軍民共茂、“兩個輪子一起轉(zhuǎn)”的高科技產(chǎn)業(yè)，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(yōu)化策略

采用結(jié)合RSM和遺傳算法的兩級優(yōu)化策略，對復(fù)合材料加筋板進行非線性結(jié)構(gòu)響應(yīng)約束條件下的優(yōu)化設(shè)計。

1.1一級優(yōu)化分級優(yōu)化策略的第一級，以結(jié)構(gòu)的幾何尺寸為設(shè)計變量，以線性屈曲及后屈曲承載能力為優(yōu)化響應(yīng)，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。由于復(fù)合材料加筋板后屈曲特性的復(fù)雜性，這里直接給出一級優(yōu)化的普遍優(yōu)化模型是不恰當?shù)模瑑?yōu)化模型中具體的設(shè)計變量，優(yōu)化約束與目標函數(shù)的選擇應(yīng)該根據(jù)具體的算例而定，但考慮復(fù)合材料加筋板后屈曲特性的優(yōu)化設(shè)計一般希望達到以下優(yōu)化效果：首先，加筋板在發(fā)生屈曲之后具有比較好后屈曲承載能力即最大化結(jié)構(gòu)的極限載荷；其次，加筋板不應(yīng)發(fā)生過早的局部屈曲，即結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)屈曲位移bS與結(jié)構(gòu)極限載荷位移cS的關(guān)系如式（1）[15]所示。(1)最后，在保證結(jié)構(gòu)屈曲承載能力的基礎(chǔ)上盡可能地降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。一級優(yōu)化包括三個關(guān)鍵步驟。1)分析模型建立及靈敏度分析建立初始設(shè)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(yōu)化效果的最基礎(chǔ)和關(guān)鍵的步驟。確定分析模型準確性之后需要對結(jié)構(gòu)進行參數(shù)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(shè)計變量對于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，可以為優(yōu)化過程中樣本點的選取提供依據(jù)，同時可以用于指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計以及驗證優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性。2)全局近似函數(shù)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(guān)于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的全局近似函數(shù)，這是整個優(yōu)化過程中計算成本最大的步驟，但是和在優(yōu)化過程中直接調(diào)用有限元軟件計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)相比可以大大降低計算成本。優(yōu)化設(shè)計的準確性依賴于響應(yīng)面的精度，而響應(yīng)面的精度依賴于響應(yīng)面方法的選擇及樣本點的選取。本文使用多項式響應(yīng)面模型，基于最小二乘法進行擬合。樣本點的選取方法應(yīng)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(shè)計成通過較少迭代次數(shù)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(diào)用參數(shù)化建模程序計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)。一般樣本點的數(shù)量越多擬合精度越好，但出于計算成本的考慮，用適當數(shù)量的樣本點擬合出滿足一定精度要求的響應(yīng)面是目前大多數(shù)學(xué)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(shù)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(shè)計變量的個數(shù)。基于這些樣本點進行響應(yīng)面擬合，根據(jù)響應(yīng)面的擬合殘差判斷是否增加樣本點，直到響應(yīng)面的精度滿足要求。全局響應(yīng)面擬合結(jié)果y'和有限元計算結(jié)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(yīng)面滿足精度要求。3)優(yōu)化計算使用MATLAB優(yōu)化工具箱對全局近似模型進行優(yōu)化計算。同時使用了基于梯度的優(yōu)化算法及遺傳算法計算優(yōu)化模型。由于優(yōu)化響應(yīng)基于RSM建立而RSM是針對計算成本高的結(jié)構(gòu)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(yōu)化結(jié)果進行調(diào)整。

1.2二級優(yōu)化分級優(yōu)化策略的第二級，保持結(jié)構(gòu)幾何尺寸為第一級優(yōu)化結(jié)果中的尺寸，使用遺傳算法對復(fù)合材料加筋板進行以鋪層順序為優(yōu)化設(shè)計變量的細節(jié)設(shè)計。由于設(shè)計變量的離散性，無法再使用RSM方法構(gòu)造結(jié)構(gòu)響應(yīng)關(guān)于設(shè)計變量的全局近似函數(shù)，只能通過調(diào)用分析模型計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)，出于計算成本的考慮，二級優(yōu)化中只考慮結(jié)構(gòu)的線性屈曲性能。在一般的復(fù)合材料鋪層順序優(yōu)化中[19-21]鋪層順序的優(yōu)化過程實際就是不同角度鋪層的數(shù)量優(yōu)化過程。而這里的鋪層順序優(yōu)化為分級優(yōu)化的第二級，按照常用的鋪層順序優(yōu)化方法會導(dǎo)致板的截面尺寸發(fā)生變化，影響兩級優(yōu)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(fù)合材料鋪層順序進行優(yōu)化。旅行商問題（TSP，TravelingSalesmanPro-blem）是典型的優(yōu)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(yōu)化就相當于城市訪問順序的優(yōu)化。通過對解決旅行商問題的遺傳算法程序進行修改，優(yōu)化鋪層順序。與傳統(tǒng)用于優(yōu)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(yōu)化的編碼中并沒有這個要求。例如，若某復(fù)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(fā)的方法進行編碼，其個體的編碼Coding，解碼序列Sequence及對應(yīng)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(yōu)化中，適值為結(jié)構(gòu)響應(yīng)這里即為結(jié)構(gòu)的線性屈曲載荷，每獲得一個個體的編碼，解碼為復(fù)合材料鋪層，使用新鋪層修改參數(shù)化建模腳本并調(diào)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(yīng)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(yōu)化由于兩級優(yōu)化模型的不同并且二級優(yōu)化中并未考慮結(jié)構(gòu)的后屈曲性能，由此需要對二級優(yōu)化后的構(gòu)型進行后屈曲分析，與一級優(yōu)化后的結(jié)果進行比較，根據(jù)兩級優(yōu)化后結(jié)構(gòu)響應(yīng)的差值判斷是否需要迭代優(yōu)化。當兩級優(yōu)化后結(jié)構(gòu)各響應(yīng)平均差值在10%左右，認為結(jié)構(gòu)已為最優(yōu)構(gòu)型，無需進一步迭代優(yōu)化。整個優(yōu)化策略可以整理為圖1所示的優(yōu)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(fù)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(shù)值模擬。采用一個四邊固定框用于對板施加面內(nèi)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(fù)合材料鋪層中可能發(fā)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(jù)判斷失效的發(fā)生。該判據(jù)已成功應(yīng)用到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強度預(yù)測上[4,6,22]。判斷失效發(fā)生之后，通過對相應(yīng)方向剛度的折減實現(xiàn)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(fā)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(shè)為各向同性材料，只考慮其z方向的正應(yīng)力33和xz、yz平面內(nèi)的剪應(yīng)力13、23與相對應(yīng)方向的應(yīng)變33、13、23之間的本構(gòu)關(guān)系如式(3)。界面單元的材料屬性如表1所示。采用二次應(yīng)力準則Quads來判定失效的發(fā)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(fā)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(yōu)化算例

3.1初始設(shè)計AMBUR等[6]對一塊復(fù)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(fù)合材料雙向加筋板作為優(yōu)化設(shè)計的初始設(shè)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(huán)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(fù)合材料剛度及強度屬性如表2所示。作為初始設(shè)計構(gòu)型的復(fù)合材料加筋板在面內(nèi)剪切載荷作用下的一階屈曲模態(tài)如圖4所示。屈曲失穩(wěn)發(fā)生很早，主要表現(xiàn)為壁板中間的局部失穩(wěn)。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(jié)果對比如表3所示，對比結(jié)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(yīng)的加載位移比文獻[6]給出的結(jié)果更接近實驗結(jié)果。在局部失穩(wěn)發(fā)生之后，結(jié)構(gòu)在后屈曲階段仍能繼續(xù)承受載荷，最終結(jié)構(gòu)的主要失效方式是界面單元失效脫膠。通過該初始構(gòu)型的屈曲后屈曲分析可知，該構(gòu)型的主要問題在于局部屈曲過早發(fā)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(fù)合材料加筋板的優(yōu)化應(yīng)該在保證后屈曲承載能力不變的情況下，提高結(jié)構(gòu)的一階屈曲特征值，達到或者接近極限載荷所對應(yīng)的位移的1/4-1/2，避免局部屈曲的過早發(fā)生。針對該初始設(shè)計選取加筋腹板高度H，加筋緣條寬度L，最外側(cè)緣條距離板邊的距離M以及單向加筋數(shù)目N為一級優(yōu)化中的待優(yōu)化設(shè)計變量。

3.2靈敏度分析對設(shè)計變量進行靈敏度分析，可以為設(shè)計變量的取值范圍提供一定的參考依據(jù)，同時還可用于調(diào)整優(yōu)化結(jié)果。對復(fù)合材料加筋板的有限元模型進行參數(shù)化建模。各設(shè)計變量的初始參數(shù)按初始設(shè)計中模型選取：H=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(jié)構(gòu)極限載荷，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量響應(yīng)W按照式（5）。

篇10

1層合結(jié)構(gòu)層間應(yīng)力理論分析

根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)［14］，正交各向異性材料主方向應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)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(qū)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(shè)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(shù)展開，當h很小時，忽略四階以上的高次項，并考慮協(xié)調(diào)方程聯(lián)立求解。

2復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

設(shè)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)由4層厚度為t＝0．025m、長為2m的正方形單層板復(fù)合而成，各層鋪設(shè)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(shù)見表1［15］，層合結(jié)構(gòu)上表面受均布載荷P0＝6kPa，分析其層間應(yīng)力分布規(guī)律。利用ANSYS軟件，采用SolidLayered46層單元，根據(jù)對稱性，取其建立層合板有限元模型。表2為正交鋪設(shè)層合板層間極值應(yīng)力理論解與數(shù)值解對比結(jié)果，從表2中可以看出理論解與數(shù)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(shù)值模型的正確性。

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

3結(jié)論