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复合材料零件的设计者可以从各种各 样的纤维增强材料和树脂系统中进行 选择。这使得了解这些材料如何协同 工作成为零件开发的一个至关重要的 方面。以下是对这些知识的简短描述。工业运输供应商 Hutchinson（法国巴黎）为混合动力概念车标致 208 FE 开发了由玻璃增强复合材料制成的前轴和后轴。从传统的金属车桥/悬架系统转换为基于复合材料的悬架系统，可节省 20.4 公斤的重量。复合材料零件的设计师可以从各种各样的纤维增强材料和树脂系统中进行选择，这种情况给了无限的设计自由，但增加了复合材料的复杂性。了解材料特性是满意的产品设计的先决条件，但成本也是一个主要因素。过度设计的复合材料无法与成本较低、已建立的材料系统竞争。使用复合材料各向异性的精心设计的零件不仅采用了正确的材料和工艺来满足应用要求，而且在许多时候，它可以与使用在原材料成本方面较低的竞争材料（钢、铝等）制成的产品具有商业竞争力，当考虑安装和生命周期成本（维护、维修、较长使用寿命的影响）时。在任何设计中，纤维增强体都能提供复合材料的大部分机械性能，如刚度和强度，而基体——聚合物树脂或陶瓷等替代品——则能提供物理特性，包括韧性和抗冲击性、耐候性、防火性、紫外线（UV）和/或腐蚀性材料。在使用光纤进行设计时，必须考虑三个附加因素：光纤类型、光纤形式和光纤方向或结构。一个重要的设计考虑因素是纤维与树脂的比例，这是部件最终重量和成本的决定因素，并决定了纤维增强件固有性能在零件中优化的程度。纤维与树脂的比例从低成本的非结构部件的 20:80 到一些高端结构部件的70:30 不等。60:40 或更高的比例在先进的复合材料中很常见。在使用光纤进行设计时，必须考虑三个附加因素：光纤类型、光纤形式和光纤方向或结构。方向是指与最长零件尺寸相关的纤维方向。通常，纤维结构是在施加在结构上的主要荷载的方向上进行定制的，这一设计原则与土木工程师在混凝土结构中定位钢筋时所使用的原则相当。常见方向为单向（纵向或 0°）、交叉帘布层（90°）和角度或离轴帘布层（通常为±33°至±45°）。然而，纤维取向也可能与这些更常见的取向不同，这取决于特定的应用。角板层承受剪切载荷，是加固单向纵向板层所必需的。应尽量减少层间的角度差异，也就是说，堆叠顺序应为 [0°/45°/90°/-45°]，而不是[0°/90℃/45°/- 45℃]，以尽量减少由各向异性层引起的层间剪切应力。例如，在细丝缠绕加工中，54°缠绕角满足大多数管道和压力容器的周向（环向）和纵向（轴向）强度要求。然而，如果在轴向方向上对管道施加更多的应力，就像无支撑跨度的情况一样，±20°/±70°的纤维方向将为增加轴向强度提供更硬的弯曲模量。从本质上讲，复合材料使设计师能够定制纤维结构，以满足特定零件的性能要求。层压板可以设计为各向同性（使用平衡堆叠层压板来模仿传统材料的性能）或各向异性、平衡或不平衡、对称或不对称——这取决于部件必须承受的使用力（斜体术语在我们的“术语表”中定义）。 复合材料设计 此图显示了传统的和基于轨迹的测试强度金字塔。据报道，通过采用追踪和主帘布层材 料模型，可以大大降低测试 CFRP 材料和结构组件的成本。可以测试的试片数量显著减少。使用刚度和强度不变量，只需要基本的单轴测试就可以表征任何 CFRP 材料，这使得测试程序更加经济实惠，并且与金属测试非常相似。此外，追踪有助于质量保证过程，使测试人员能够通过测试组件量化材料质量或制造过程造成的变化。来源| CompoSIDE 有限公司。斯坦福大学的 Stephen Tsai 博士与其他研究人员合作，提出了层压板设计的一个发展方向，他已经证明了“双角度- bi-angle laminate”层压板，即单向纤维和角度层以小于 45°的浅角度交替堆叠的层压板。Tsai说，当角度相对于 0°方向减小时，最佳约为 20°，所得层压板在第一层和最后一层失效前能承受更大的应力，由于层间力的减小，通常在许多载荷应用中表现更好。Tsai 说，如果有足够的薄层堆叠在一起，人们对非常低角度的交叉层可能会导致层压板“薯片翘曲- potato-chip warping”的担忧就会减轻。这一设计理念是 Tsai 在基于轨迹的 CFRP 设计和测试方面的成果。轨迹本质上是矩阵代数中张量变换的一个简单不变量，是复合材料的一个基本参数。研究表明，如果通过各自的刚度轨迹进行归一化，所有现代碳纤维/聚合物复合材料层压板的刚度和强度数据都会收敛到几乎相同的值。这种通用刚度意味着，主帘布层和通过材料痕迹进行的简单缩放可以用于确定层压板零件的尺寸，就像它们可以用于均质材料一样。对分层或层压结构行为的理解对于有效的复合材料构件设计至关重要。由树脂润湿产生的层压板层（称为帘布层）之间的附着力至关重要；在应力、应变、冲击和/或其他负载条件下，较差的附着力会导致分层。层压板叠层设计人员必须考虑机械应力/载荷、附着力、重量、刚度、操作温度和韧性要求，以及电磁透明度和抗辐射性等变量。使用复合材料，设计者可以自由地改变纤维方向，并调整层压板中任何点的帘布层数量，以满足局部性能要求。例如，壁厚可以变化，在由紧固件或金属附件引起的应力或载荷高的地方更厚，在应力或负载低的地方更薄。这使得可以最小化重量，实现复杂的形状，并生产具有整体增强的大型零件。此外，复合材料部件的设计必须考虑到所需的表面光洁度（例如，化妆品凝胶涂层）、疲劳寿命、整体零件配置以及报废或返工的可能性，仅举众多适用因素中的几个。预期的制造方法也会影响设计。例如，纤维缠绕或带层结构的制造商使用的增强形式和堆积模式与手工层叠的层压板或热压罐预浸料部件使用的不同。树脂传递模塑（RTM）是采用两件式全封闭模具的几种工艺之一，与其他制造技术相比，它需要三维预成型件。预制件的设计必须使成品零件具有适当的纤维结构，在树脂注入步骤中不会移动。事实上，RTM 能够在其暴露的外表面 100%上生产出具有可预测光洁度的零件。它还能够生产复杂的三维零件。例如，通过使用称为心轴的可拆卸（可折叠或可充气）内部工具，可以将具有至少一个开口的中空部件制成一体，在外部和内部都具有完成的表面。生产方法和工装类型的选择必须考虑到零件所需的几何形状、美观性、零件性能要求和生产运行长度。一种常见的复合材料结构——夹层结构——将轻质核心材料与薄层压复合材料蒙皮（面板）结合在一起，类似于瓦楞纸板的结构。这些芯板具有所有复合材料结构中最高的刚度-重量和强度-重量性能，并且极易弯曲和屈曲，这取决于芯板厚度和蒙皮结构。合适的芯材包括闭孔泡沫、轻木和各种形式（铝、纸或塑料）的蜂窝。一些泡沫芯是复合的，也就是说，它们含有中空微球以减轻重量。夹层结构广泛应用于现代飞机和船只以及集装箱和模块化建筑等应用中。一些材料供应商提供具有整体芯的增强材料，例如用玻璃或碳纤维缝合在一起的类芯材料（如泡沫 棒）。这种组合——一种与核心材料集成的编织或单向纤维形式——提供了一种适用于冲泡和闭模加工的单元化复合材料结构。注：原文见《 Materials & Processes: Composites part design 》2016.3.23 杨超凡 2023.12.5 
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