復合材料基礎設計及優化

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復合材料基礎設計及優化

復合材料通常是指由高分子材料、無機非金屬材料或金屬材料復合而成的一種新材料。隨著科學技術的快速發展，復合材料的應用范圍也日益廣泛，從前期的軍用產品到目前的民用產品，無不體現出復合材料在目前工業發展中占據著重要的地位。

復合材料區別于單一材料的顯著特征是材料性能的可設計性，即經過選擇性設計和加工，通過各組分性能間的相互補充，可獲得新材料的優良性能。其主要特點[1]如下：1)可設計性；2)材料和結構的同一性；3)充分發揮復合效應的優越性；4)性能對工藝的依賴性。本文主要介紹非金屬基復合材料中的熱固性復合材料即樹脂基復合材料的設計。

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

1 材料設計

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

材料設計的基本選擇原則如下：1)比強度、比剛度高；2)材料與結構的使用環境相適應；3)滿足結構特殊性要求；4)滿足工藝性要求；5)成本低，效益高。

1.1 增強材料選擇

復合材料的主要組成是增強材料和基體材料[2]。一般凡能提高基體材料力學性能的物質均稱為增強材料。以聚合物為基體，用作結構件的復合材料，大都以纖維狀材料作為增強材料，如玻璃纖維、碳纖維、硼纖維及新型有機纖維。復合材料增強材料通常都要求具有較高的比強度、比彈性模量等優良力學性能，同時兼有高導熱性、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結構的功能選取能滿足一定的物理和化學性能的纖維，具體如下：1)若結構要求有良好的透波、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材料；2)若結構要求有高的剛度，則可選用高模量碳纖維或硼纖維；3)若結構要求有高的抗沖擊性能，則可選用玻璃纖維、凱芙拉纖維；4)若結構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)若結構要求結構尺寸不隨溫度改變，則可選用凱芙拉纖維或碳纖維，它們的熱膨脹系數可以為負值，可設計成零膨脹系數的復合材料；6)若結構要求既有較大強度又有較大剛度時，則可選用比強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材料。玻璃纖維、凱芙拉纖維及碳纖維增強樹脂復合材料的特點見表1。

表1 幾種纖維增強樹脂的特點[3]

1.2 基體材料選擇

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

復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]

玻璃纖維復合材料的基體一般采用不飽和聚酯樹脂和環氧樹脂，凱芙拉49復合材料的基體主要是環氧樹脂，內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)能在結構使用溫度范圍內正常工作，一般認為，工作溫度應低于玻璃化溫度30 ℃；2)具有一定的力學性能，以確保層合板在結構使用中的強度、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，以確保充分發揮纖維的增強作用；4)具有滿足使用要求的物理、化學性能，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%，復合材料的吸水率要求<1.5%，化學性能主要是指耐介質耐候性能要好；5)具有一定的工藝性能，主要是指黏性、凝膠時間、揮發分含量、預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 結構設計

復合材料結構設計的一般原則[5]如下。

1)復合材料結構一般采用按使用載荷設計、按設計載荷進行校核的方法。安全系數=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的最大載荷，要求結構在該載荷下不產生殘余變形；極限載荷是設計中用來進行強度計算的載荷，要求結構在該載荷下剛開始或接近破壞。

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

3)復合材料失效準則只適用于復合材料單層，在未規定使用某一失效準則時，一般采用蔡-胡失效準則。

4)當結構使用范圍很寬或材料在不同溫度下性能變化較大時，應力分析選取的力學性能數據應按溫度區間選取，彈性常數選取相應溫度區間測定的平均值，強度計算采用在相應溫度區間的許用值，外載荷應選取相應溫度區間各工況情況的最大使用載荷。

5)復合材料結構在限制載荷作用下，不允許結構存在永久變形。

6)有剛度要求的一般部位，材料彈性常數的數據可采用試驗數據的平均值，而有剛度要求的重要部位應選取B基準值。

7)結構的可修理性和可更換性在初步設計階段就應給于考慮安排，可修理性設計應有試驗支持。

8)對于一些有防雷要求的部件，應考慮結構的防雷性能設計。

3 層合板設計

復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，層合板是目前復合材料實際應用的主要形式。層合板設計的一般原則如下：1)鋪層定向原則；2)均衡對稱鋪設原則；3)鋪層取向按承載選取原則；4)鋪層最小比例原則；5)鋪設順序原則；6)沖擊載荷區設計原則；7)防邊緣分層破壞設計原則；8)抗局部屈曲設計原則；9)連接區設計原則；10)變厚度設計原則。

本文主要通過ABAQUS有限元分析軟件對層合板結構進行簡單的靜力學分析。

3.1 建模

本文主要以層合板為例來說明復合材料的計算機輔助設計，借助三維軟件SolidWorks或ABAQUS進行復合材料層合板的建模。層合板采用實體單元進行創建，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環氧樹脂。由于復合材料結構的特殊性，結合實際情況，本例采用正交各向異性對材料進行定義，相關參數見表3。

表3 層合板性能參數

3.3 鋪層

層合板的鋪層設計主要包括以下3項內容：1)選擇合適的單層鋪設角；2)確定各鋪設角單層的層數(鋪層比)；3)確定鋪層順序。根據產品的用途對各纖維層的方向進行選擇，本文定義為0°/90°/45°/-45°/90°/0°,每層厚度定義為0.15 mm。利用ABAQUS軟件中的復合材料鋪層插件對層合板進行鋪層(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格進行劃分。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 仿真分析結果及優化設計

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力較大，最大值均出現在上下表層部分。在保證層合板強度的前提下可以對層合板的鋪層進行優化改進，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，優化結果如圖4所示。對比圖3和圖4的結果云圖可知，通過優化鋪層之后表層的應力有明顯降低。

圖3 仿真結果云圖

圖4 優化后的仿真結果云圖

4 總結

復合材料設計具有抽象性的同時，也具有靈活性及可設計性，可以根據設計者的意愿對材料、結構和鋪層進行設計；同時借助于計算機有限元分析軟件對結構進行仿真分析，對設計理論進行驗證。

[1] 劉雄亞，晏石林.復合材料制品設計及應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2] 趙曉文，姚凱，段玲.格構增強型復合材料板材設計與試驗研究[J].新技術新工藝，2014(4):62-65.

[3] 李順林，王興業.復合材料結構設計基礎[M].武漢：武漢理工大學出版社，2004.

[4] 沈觀林，胡更開.復合材料力學[M].北京：清華大學出版社，2006.

[5] 沈真. 復合材料結構設計手冊[M].北京：航空工業出版社，2001.

責任編輯 鄭練

張明輝，劉二恩

(許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000)

通過原材料的選材、鋪層和層合板結構設計,闡述了復合材料的基礎設計。結合復合材料的原材料和結構設計原則，說明了復合材料結構的可設計性。針對復合材料各組分材料的特性，詳細介紹了原材料選擇的重要性，從載荷性能要求方面并結合層合板結構設計原則，對復合材料層合板進行了設計，并應用有限元分析軟件(ABAQUS)對層合板進行了仿真分析，闡述了復合材料層合板仿真分析的方法和步驟，同時根據仿真結果對復合材料鋪層進行了合理的優化設計。

復合材料；層合板；鋪層；結構設計

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，大學本科，主要從事復合材料的設計和研發等工作。

2016-03-16

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