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關(guān)于淺析復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的論文
引言
復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，具有重量輕、強(qiáng)度高、加工成型方便等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)等對(duì)重量敏感的行業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景。但復(fù)合材料的材料性能對(duì)加工工藝很敏感，并受加強(qiáng)纖維方向影響形成各向異性的材料性能特性。這就給復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，不能照搬傳統(tǒng)金屬材料的設(shè)計(jì)方法和理念。下面就復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照設(shè)計(jì)流程，從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，材料成型工藝和試驗(yàn)驗(yàn)證等方面進(jìn)行分析。
1 復(fù)合材料零件的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與金屬材料有較大不同，復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量圓滑過(guò)渡，避免翻邊等型面曲率劇烈變化的結(jié)構(gòu)。由于復(fù)合材料的連接主要采用膠結(jié)的方式，因此在零組件設(shè)計(jì)方面，應(yīng)盡量減少零件數(shù)，推薦采用一次成型的加工方案。在關(guān)重部位的連接方式上盡量采用預(yù)埋金屬連接件的方案。
2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)
隨著有限元設(shè)計(jì)等先進(jìn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方式的發(fā)展，現(xiàn)代構(gòu)件的設(shè)計(jì)從驗(yàn)證設(shè)計(jì)開(kāi)始向預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)金屬材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)已經(jīng)趨于成熟，從材料性能、計(jì)算流程、校核標(biāo)準(zhǔn)等方面均有章可循，但復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)目前仍存在一些問(wèn)題。現(xiàn)階段可以說(shuō)基本解決了計(jì)算流程的問(wèn)題，材料性能方面也隨著性能實(shí)驗(yàn)和計(jì)算軟件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)逐漸解決，但在校核標(biāo)準(zhǔn)方面尚未形成統(tǒng)一的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和共識(shí)。因此在強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)需從結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、剛度、動(dòng)態(tài)特性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面全方位考慮，并選取較大的安全系數(shù)來(lái)提高結(jié)構(gòu)可靠性。
3 材料成型工藝
由于復(fù)合材料成型過(guò)程既是結(jié)構(gòu)形成階段，又是材料性能形成的階段，因此復(fù)合材料構(gòu)件對(duì)材料成型工藝提出了較高的要求，既要滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)方案中復(fù)雜結(jié)構(gòu)一次成型的需求，又要滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)對(duì)材料性能指標(biāo)的規(guī)定，同時(shí)對(duì)材料成型工藝的穩(wěn)定性要求也比較苛刻。在此階段，如材料成型工藝攻關(guān)不成功，則需降低要求重新進(jìn)行構(gòu)件的結(jié)構(gòu)方案和強(qiáng)度設(shè)計(jì)工作。為減少設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，可在初始設(shè)計(jì)階段參考成熟成型工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)然帶來(lái)的損失就是構(gòu)件重量的增加和構(gòu)件指標(biāo)的降低，因此應(yīng)綜合考慮各方面因素，確定最優(yōu)化的可行性方案。
4 復(fù)合材料構(gòu)件的試驗(yàn)驗(yàn)證
鑒于復(fù)合材料組織均勻性差以及分層鋪敷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注疲勞性能、破損容限等特性，并對(duì)材料耐高溫、腐蝕性能進(jìn)行充分驗(yàn)證。
5 結(jié)論
通過(guò)上述分析，可以看出復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計(jì)相對(duì)難度較大，但由于復(fù)合材料自身的優(yōu)越性及行業(yè)設(shè)計(jì)能力的提升，必將得到更廣泛的應(yīng)用。
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