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復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)計及優(yōu)化

復(fù)合材料通常是指由高分子材料、無機(jī)非金屬材料或金屬材料復(fù)合而成的一種新材料。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍也日益廣泛，從前期的軍用產(chǎn)品到目前的民用產(chǎn)品，無不體現(xiàn)出復(fù)合材料在目前工業(yè)發(fā)展中占據(jù)著重要的地位。

復(fù)合材料區(qū)別于單一材料的顯著特征是材料性能的可設(shè)計性，即經(jīng)過選擇性設(shè)計和加工，通過各組分性能間的相互補(bǔ)充，可獲得新材料的優(yōu)良性能。其主要特點[1]如下：1)可設(shè)計性；2)材料和結(jié)構(gòu)的同一性；3)充分發(fā)揮復(fù)合效應(yīng)的優(yōu)越性；4)性能對工藝的依賴性。本文主要介紹非金屬基復(fù)合材料中的熱固性復(fù)合材料即樹脂基復(fù)合材料的設(shè)計。

計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer Aided Design,CAD)是工程技術(shù)人員借助于計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計的一種綜合性高技術(shù)，是目前發(fā)展迅速的一個行業(yè)，通常借助于AutoCAD、SolidWorks、Pro/E、ANSYS和ABAQUS等作圖和分析軟件對工業(yè)進(jìn)行鋪助設(shè)計。本文主要討論借助ABAQUS軟件對樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計。

1 材料設(shè)計

材料設(shè)計是指設(shè)計人員可選用幾種組分材料，將其設(shè)計成具有所要求性能的結(jié)構(gòu)材料。材料設(shè)計首先涉及到對構(gòu)成復(fù)合材料的組分材料(纖維、基體)進(jìn)行合理選擇，以得到能滿足要求的鋪層性能。就復(fù)合材料層合板而言，構(gòu)成它的基本單元是由纖維和基體構(gòu)成的復(fù)合材料單向?qū)樱鴱?fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)件的基本單元是按各種不同鋪層設(shè)計要素組成的層合板。層合板既可看作是結(jié)構(gòu)件，也可看作是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的最基本單元，是構(gòu)成該結(jié)構(gòu)件的材料。對一個結(jié)構(gòu)件而言，其各部分材料一般是不同的，應(yīng)根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計。層合板設(shè)計成為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計特有的工作內(nèi)容，也是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計中最關(guān)鍵的設(shè)計工作之一，在很大程度上影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的成敗。

材料設(shè)計的基本選擇原則如下：1)比強(qiáng)度、比剛度高；2)材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應(yīng)；3)滿足結(jié)構(gòu)特殊性要求；4)滿足工藝性要求；5)成本低，效益高。

1.1 增強(qiáng)材料選擇

復(fù)合材料的主要組成是增強(qiáng)材料和基體材料[2]。一般凡能提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)均稱為增強(qiáng)材料。以聚合物為基體，用作結(jié)構(gòu)件的復(fù)合材料，大都以纖維狀材料作為增強(qiáng)材料，如玻璃纖維、碳纖維、硼纖維及新型有機(jī)纖維。復(fù)合材料增強(qiáng)材料通常都要求具有較高的比強(qiáng)度、比彈性模量等優(yōu)良力學(xué)性能，同時兼有高導(dǎo)熱性、耐磨性和低熱膨脹性等良好的物理特性。

纖維類別的選擇是根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能選取能滿足一定的物理和化學(xué)性能的纖維，具體如下：1)若結(jié)構(gòu)要求有良好的透波、吸波性能，則可選取E或S玻璃纖維、凱芙拉纖維、氧化鋁纖維等作為增強(qiáng)材料；2)若結(jié)構(gòu)要求有高的剛度，則可選用高模量碳纖維或硼纖維；3)若結(jié)構(gòu)要求有高的抗沖擊性能，則可選用玻璃纖維、凱芙拉纖維；4)若結(jié)構(gòu)要求有很好的低溫工作性能，則可選用低溫下不脆化的碳纖維；5)若結(jié)構(gòu)要求結(jié)構(gòu)尺寸不隨溫度改變，則可選用凱芙拉纖維或碳纖維，它們的熱膨脹系數(shù)可以為負(fù)值，可設(shè)計成零膨脹系數(shù)的復(fù)合材料；6)若結(jié)構(gòu)要求既有較大強(qiáng)度又有較大剛度時，則可選用比強(qiáng)度和比剛度均較高的碳纖維或硼纖維。

工程上通常選用玻璃纖維、凱芙拉纖維或碳纖維作為增強(qiáng)材料。玻璃纖維、凱芙拉纖維及碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的特點見表1。

表1 幾種纖維增強(qiáng)樹脂的特點[3]

1.2 基體材料選擇

樹脂基體是復(fù)合材料的另一個重要組成部分。在復(fù)合材料成型過程中，基體材料經(jīng)過一系列復(fù)雜的物理-化學(xué)變化，把增強(qiáng)纖維粘接成具有一定形狀的整體?；w的主要作用有：1)均衡載荷，傳遞載荷(將單根的纖維粘成整體)；2)保護(hù)纖維，防止纖維磨損；3)賦予復(fù)合材料各種特性(耐熱、耐腐蝕、阻燃和抗輻射)；4)決定復(fù)合材料生產(chǎn)工藝、成型方法。

復(fù)合材料的樹脂基體主要包括熱固性樹脂和高性能熱塑性樹脂，其中常用的熱固性樹脂有環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂和酚醛樹脂，常用的熱塑性樹脂有聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚碳酸指和聚丙烯樹脂等。幾種常見的樹脂基體的基本性能見表2。

表2 幾種常見的樹脂基體的性能[4]

玻璃纖維復(fù)合材料的基體一般采用不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂，凱芙拉49復(fù)合材料的基體主要是環(huán)氧樹脂，內(nèi)部裝飾件常采用酚醛樹脂，因為酚醛樹脂具有良好的耐火性、自熄性、低煙性和低毒性。

樹脂基體的選擇要求如下：1)能在結(jié)構(gòu)使用溫度范圍內(nèi)正常工作，一般認(rèn)為，工作溫度應(yīng)低于玻璃化溫度30 ℃；2)具有一定的力學(xué)性能，以確保層合板在結(jié)構(gòu)使用中的強(qiáng)度、剛度及使用壽命；3)斷后伸長率大于或者接近纖維的斷后伸長率，以確保充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用；4)具有滿足使用要求的物理、化學(xué)性能，物理性能主要是指吸濕性能，純樹脂的吸水性要求為1.5%～4.5%，復(fù)合材料的吸水率要求<1.5%，化學(xué)性能主要是指耐介質(zhì)耐候性能要好；5)具有一定的工藝性能，主要是指黏性、凝膠時間、揮發(fā)分含量、預(yù)浸帶的保存期和工藝期、固化時的壓力和溫度以及固化后的尺寸收縮率等；6)材料的低成本和廣泛的原材料來源。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則[5]如下。

1)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一般采用按使用載荷設(shè)計、按設(shè)計載荷進(jìn)行校核的方法。安全系數(shù)=極限載荷/限制載荷。其中，限制載荷是正常使用過程中可以出現(xiàn)的最大載荷，要求結(jié)構(gòu)在該載荷下不產(chǎn)生殘余變形；極限載荷是設(shè)計中用來進(jìn)行強(qiáng)度計算的載荷，要求結(jié)構(gòu)在該載荷下剛開始或接近破壞。

2)按使用載荷設(shè)計時，采用使用載荷所對應(yīng)的許用值稱為使用許用值，按設(shè)計載荷校核時，采用設(shè)計載荷所對應(yīng)的許用值稱為設(shè)計許用值。許用值數(shù)據(jù)分散性處理與選用如下：A基準(zhǔn)值(是指一個性能極限值，即在95%置信度下至少有99%數(shù)值群的性能高于此值)——主承力或單傳力結(jié)構(gòu)；B基準(zhǔn)值(是指一個性能極限值，即在95%置信度下至少有90%數(shù)值群的性能高于此值)——次承力或多傳力結(jié)構(gòu)。

3)復(fù)合材料失效準(zhǔn)則只適用于復(fù)合材料單層，在未規(guī)定使用某一失效準(zhǔn)則時，一般采用蔡-胡失效準(zhǔn)則。

4)當(dāng)結(jié)構(gòu)使用范圍很寬或材料在不同溫度下性能變化較大時，應(yīng)力分析選取的力學(xué)性能數(shù)據(jù)應(yīng)按溫度區(qū)間選取，彈性常數(shù)選取相應(yīng)溫度區(qū)間測定的平均值，強(qiáng)度計算采用在相應(yīng)溫度區(qū)間的許用值，外載荷應(yīng)選取相應(yīng)溫度區(qū)間各工況情況的最大使用載荷。

5)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在限制載荷作用下，不允許結(jié)構(gòu)存在永久變形。

6)有剛度要求的一般部位，材料彈性常數(shù)的數(shù)據(jù)可采用試驗數(shù)據(jù)的平均值，而有剛度要求的重要部位應(yīng)選取B基準(zhǔn)值。

7)結(jié)構(gòu)的可修理性和可更換性在初步設(shè)計階段就應(yīng)給于考慮安排，可修理性設(shè)計應(yīng)有試驗支持。

8)對于一些有防雷要求的部件，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的防雷性能設(shè)計。

3 層合板設(shè)計

復(fù)合材料層合板是由不同形式的單層板以不同的方式疊合在一起形成層合板，層合板是目前復(fù)合材料實際應(yīng)用的主要形式。層合板設(shè)計的一般原則如下：1)鋪層定向原則；2)均衡對稱鋪設(shè)原則；3)鋪層取向按承載選取原則；4)鋪層最小比例原則；5)鋪設(shè)順序原則；6)沖擊載荷區(qū)設(shè)計原則；7)防邊緣分層破壞設(shè)計原則；8)抗局部屈曲設(shè)計原則；9)連接區(qū)設(shè)計原則；10)變厚度設(shè)計原則。

本文主要通過ABAQUS有限元分析軟件對層合板結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的靜力學(xué)分析。

3.1 建模

本文主要以層合板為例來說明復(fù)合材料的計算機(jī)輔助設(shè)計，借助三維軟件SolidWorks或ABAQUS進(jìn)行復(fù)合材料層合板的建模。層合板采用實體單元進(jìn)行創(chuàng)建，外形尺寸為300 mm×150 mm×8 mm。層合板示意圖如圖1所示。

圖1 層合板示意圖

3.2 材料屬性

層合板為玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂。由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特殊性，結(jié)合實際情況，本例采用正交各向異性對材料進(jìn)行定義，相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 層合板性能參數(shù)

3.3 鋪層

層合板的鋪層設(shè)計主要包括以下3項內(nèi)容：1)選擇合適的單層鋪設(shè)角；2)確定各鋪設(shè)角單層的層數(shù)(鋪層比)；3)確定鋪層順序。根據(jù)產(chǎn)品的用途對各纖維層的方向進(jìn)行選擇，本文定義為0°/90°/45°/-45°/90°/0°,每層厚度定義為0.15 mm。利用ABAQUS軟件中的復(fù)合材料鋪層插件對層合板進(jìn)行鋪層(見圖2)。

圖2 鋪層示意圖

3.4 分析方法

將層合板的一周端面分別固定。本例采用自動劃分的方法對網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在層合板的表面上施加160 MPa的載荷，方向是垂直于作用平面。

3.5 仿真分析結(jié)果及優(yōu)化設(shè)計

仿真分析云圖如圖3所示。從圖3可以看出，由于載荷較大，所以層合板各層所受拉壓應(yīng)力較大，最大值均出現(xiàn)在上下表層部分。在保證層合板強(qiáng)度的前提下可以對層合板的鋪層進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，如將0°/90°層更改為±45°層，以此來改變表層的屈曲特性，提高抗剪性能，優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。對比圖3和圖4的結(jié)果云圖可知，通過優(yōu)化鋪層之后表層的應(yīng)力有明顯降低。

圖3 仿真結(jié)果云圖

圖4 優(yōu)化后的仿真結(jié)果云圖

4 總結(jié)

復(fù)合材料設(shè)計具有抽象性的同時，也具有靈活性及可設(shè)計性，可以根據(jù)設(shè)計者的意愿對材料、結(jié)構(gòu)和鋪層進(jìn)行設(shè)計；同時借助于計算機(jī)有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，對設(shè)計理論進(jìn)行驗證。

[1] 劉雄亞，晏石林.復(fù)合材料制品設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] 趙曉文，姚凱，段玲.格構(gòu)增強(qiáng)型復(fù)合材料板材設(shè)計與試驗研究[J].新技術(shù)新工藝，2014(4):62-65.

[3] 李順林，王興業(yè).復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2004.

[4] 沈觀林，胡更開.復(fù)合材料力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[5] 沈真. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

責(zé)任編輯 鄭練

張明輝，劉二恩

(許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000)

通過原材料的選材、鋪層和層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計,闡述了復(fù)合材料的基礎(chǔ)設(shè)計。結(jié)合復(fù)合材料的原材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，說明了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可設(shè)計性。針對復(fù)合材料各組分材料的特性，詳細(xì)介紹了原材料選擇的重要性，從載荷性能要求方面并結(jié)合層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，對復(fù)合材料層合板進(jìn)行了設(shè)計，并應(yīng)用有限元分析軟件(ABAQUS)對層合板進(jìn)行了仿真分析，闡述了復(fù)合材料層合板仿真分析的方法和步驟，同時根據(jù)仿真結(jié)果對復(fù)合材料鋪層進(jìn)行了合理的優(yōu)化設(shè)計。

復(fù)合材料；層合板；鋪層；結(jié)構(gòu)設(shè)計

Basic Design and Optimization of Composite

ZHANG Minghui, LIU Er’en

(Xuchang XJ Windpower Technology Company, Xuchang 461000, China)

The basic design of composite material is described through the material selection, the laying layer and the laminate structure. The design principles of composite materials and structural design show that the structure of the composite material can be designed. According to the characteristic of the various components of the composite materials, introduce in detail the importance of raw material choice. The design of composite laminate is designed according to the requirement of load performance and the design principle of composite laminate structure, and with the help of the computer by using the finite element analysis software (ABAQUS) simulation analysis of laminated plates, describe the method and steps of simulation analysis of laminated plates of composite materials. At the same time, according to the simulation results of the composite material layer, optimize the reasonable design.

composite, laminate, lay up, structural design

張明輝(1985-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事復(fù)合材料的設(shè)計和研發(fā)等工作。

2016-03-16

TN 04

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