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碳纤维复合材料结构设计

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结构设计是碳纤维复合材料设计的关键,要提高碳纤维复合材料性能就必须千方百计地提高其比强度和比刚度。提高这两者性能主要有两个途径,一是合理地选择材料和制造工艺;一是合理地承载。对后一方面更多依赖于设计人员的水平和才智。怎样在保证安全可靠的前提下,设计出更轻的合理复合材料受力结构,是结构设计人员的职责。

      由单向板铺叠固化而成的层压结构是目前复合材料的主要形式,单向板呈现强烈的正交异性(沿纤维方向的纤维和垂直于纤维方向的性能差别很大),可以在不同的方向铺设不同比例的单向板,以满足结构平面内所需方向性能的要求。设计出的复合材料可以是各向同性,也可以是各向异性,可以是对称平衡,也可以是非对称平衡。这给了设计人员更为自由的设计空间,使设计人员实现过去用各向同性的金属材料无法实现的梦想。利用碳纤维复合材料的低密度进行等价设计实现减重目标,是早期的复合材料结构设计方法,远远不能发挥复合材料的优势。当然各向异性也给结构设计、分析和制造增加了困难。

     

复合材料结构设计分为相互关联的两个层次,即复合材料设计(相当于材料设计)和结构设计,前者主要是设计复合材料本身性能,例如在复合材料的强度、刚度及膨胀系数等,后者是设计制件结构的性能,例如结构的扭转刚度、稳定性和振动等。

      复合材料结构设计主要通过结构选材、确定设计许用值(许用值:在一定载荷类型和环境下,主要由试样试验数据,按着规定要求统计分析后确定的,具有一定置信度和可靠性的材料性能表征值。设计许用值:为保证整个结构的完整性,根据具体工程项目要求,在材料许用值和代表结构典型试样、元件、典型结构件试验结果及设计与使用经验基础上确定的设计限制值。)、结构选型和结构细节设计、工艺筛选、质量保证以及采用验证试验等措施来实现。复合材料结构的设计步骤主要有以下几个部分。

      1)结构选材除了考虑基本性能、工艺性和成本因素外,根据部件的设计要求,主要需要考虑材料体系的韧性(如冲击后压缩强度和损伤阻抗等)和最高使用温度等环境因素。

      2)确定设计许用值采用所需结构件的典型铺层和厚度,通过试验确定设计许用值。重点是确定铺层层压板试样的冲击后压缩破坏应变、开孔拉伸破坏应变及连接许用值,同时应考虑湿热影响和分散性等,必要时还应该给出有关的疲劳性能和动态性能。由于通常认为复合材料结构中的缺陷是无法避免的,而且初始缺陷对结构强度有严重的影响,即使是用于静强度校核的设计许用值也必须考虑初始缺陷的影响。

      3)根据结构设计要求进行结构选型和细节设计,包括外形和外部载荷等,选择适当的结构形式。必要时,要进行结构选型试验,以确定最佳的结构形式,对关键部位应该考虑抵抗外载的能力。

      4)典型结构件和含结构件关键特性的组合件验证试验应该从简单到复杂,通过积木式验证试验方法,分阶段验证所选择的关键部位结构形式能满足规定的设计要求。

      5)全尺寸部件的验证试验,验证结构部件是否满足结构完整要求。