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碳纤维复合材料结构设计要点(1)

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-04-12  浏览次数:1851
核心提示:昨天跟英国TWI的专家交流,探讨了用碳纤维复合材料代替传统金属材料,尤其在制造重要的结构部件中的思路。发现需要考虑的因素太

昨天跟英国TWI的专家交流,探讨了用碳纤维复合材料代替传统金属材料,尤其在制造重要的结构部件中的思路。发现需要考虑的因素太多,以致无法确定主次先后。今天就列一个清单,细数碳纤维复合材料结构部件的设计要点。

 

内容所有涉及的复合材料结构一般是指碳纤维预浸料铺层结构。


强度与刚度

既然是结构部件,那么设计者首先要考虑的是强度和刚度。部件在外力载荷的作用下,有抵抗变形与破坏的能力,但是这个能力又是有限度的。

如何确定部件的使用载荷,不会超出部件的能力极限,是通过材料力学计算得出。而部件的这个能力极限,就是碳纤维复合材料结构设计者需要考虑的问题。

通过合理的搭配纤维和树脂,优化纤维排布,用最少的材料,满足设计需求,体现了复合材料设计者精湛的技巧。不过决定复合材料强度与刚度的因素,不但与纤维和树脂的种类有关,还与碳纤维的铺层方向以及层与层之间结合搭配有关。

所以,设计者在设计碳纤维复合材料结构部件时,需要考虑三个层级结构的力学性能。

 

 

 

由基体和增强材料复合而成的单层材料,其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。

由单层材料层合而成的层合体,其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺设方向、铺层序列) 。

最顶层结构是指通常所说的工程结构或产品结构,其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。


稳定性

除了强度与刚度要求,设计者还需考虑复合材料部件的失稳,尤其是对一些细长杆结构,在受压时,应该能够保证其原有的直线平衡状态。对于一些框架结构部件,如果铺层不均匀,也会产生翘曲失稳,所以在制造过程中尤其注意。最好采用对称铺层,以防变形不均匀。

一般情况下,在部件没有达到极限载荷之下,不允许产生失稳现象。但是如果对于一些特殊要求,可以产生失稳现象,那么设计过程中,要考虑失稳过程不会因此影响极限载荷。


 

 
 
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