21 考虑温湿环境影响的复合材料结构寿命分析方法-徐海斌(9)

第二十八届（2012）全国直升机年会论文

考虑温湿环境影响的复合材料结构寿命分析方法

徐海斌马战奇樊建峰

(哈尔滨飞机工业集团飞机设计所，哈尔滨，150066)

摘要：直升机结构在使用过程中不仅受到载荷作用，还受到环境影响，环境老化会降低结构的性能和使用寿命。影响复合材料结构性能的因素非常多，大量的理论和试验研究表明，温度和湿度是影响复合材料最重要的影响因素，温湿环境下桨叶材料会吸湿导致桨叶材料的静力学和疲劳性能发生变化。本文考虑温湿环境的影响和直升机复合材料结构的使用特点，建立了考虑吸湿影响的寿命分析方法。

关键词：温湿环境; 复合材料; 寿命

1 概述

1.1 直升机结构的使用特点

直升机结构的实际使用过程是如图1所示的停放-使用的反复交替过程。

图1 直升机结构的使用特点

在停放过程中，直升机结构几乎不受载荷作用，而主要受停放环境条件的老化影响。环境因素导致材料性能退化，加重后续飞行时疲劳载荷作用下的损伤，影响结构的使用寿命。而在使用过程中，结构主要受疲劳载荷的影响，疲劳载荷造成结构产生疲劳损伤。

1.2 总体技术途径

1、以一般环境(室温常态)下疲劳寿命分析和试验结果为基础，考虑环境影响，引入环境影响系数，将使用环境下的疲劳损伤或寿命等损伤地折算为当量的室温常态下的损伤或寿命，以总损伤或寿命达到临界值或室温常态下的寿命作为评定环境条件下疲劳寿命的途径；

2、考虑温湿环境影响，通过引入考虑环境影响的材料p-S-N曲线，采用名义应力法进行疲劳分析，评估疲劳寿命；

3、与停放时间相比较，直升机飞行时间是小量，在飞行过程中，由于使用温度并不高，即使外界环境湿度很高，但是材料的吸湿量变化会非常缓慢，从而忽略飞行过程中材料吸湿影响，仅仅考虑长期停放过程导致的材料吸湿问题；

4、大量试验结果表明，复合材料层压板的吸湿量和吸湿后的力学性能之间有一一对应关系，而与导致该吸湿量的湿热历程无关，从而在考虑环境影响进行寿命分析时，主要关注吸湿量的影响。

2 考虑环境影响的寿命分析方法 2.1 考虑环境影响的损伤(寿命)折算方法

2.1.1 考虑环境影响的损伤折算

1、环境影响系数e

引入环境影响系数e ，它反映了地面停放吸湿使结构疲劳品质下降对疲劳寿命的影响，定义为：

e

N e N =

(1)

式中，N e 为使用环境中吸湿影响后的疲劳寿命，而N 0为室温常态下的疲劳寿命。

玻璃纤维复合材料的寿命与吸湿量(通常用稀释率V 表示)有关，不同的吸湿量对寿命影响的程度是不同的，显然e 是吸湿率V 的函数，记为e(V)。在给定的使用条件下，材料的吸湿量与地面停放时间T 有一定关系，从而环境影响系数e 与使用时间T 也有关，也可记为e(T)。通常当环境条件给定时，在具备材料的基本性能参数的条件下，理论上可以计算出吸湿率V 与吸湿时间T 的关系。

2、第i 次飞行对应的损伤的当量折算

设直升机在使用过程中，使用日历时间T i 后桨叶结构的吸湿量为Δm i ，对应吸湿率为V i ，第i 次飞行日历时间为ΔT i ，记第i 次飞行载荷造成的损伤记为d i ，则d i 可按下式计算：

,0

()i i i d d e V =

(2)

式中，d i,0为室温常态环境下第i 次飞行载荷造成的疲劳损伤，e(V i )为第i 次飞行时材料的吸湿率对应的环境影响系数。

① 若疲劳载荷为等幅载荷

若疲劳载荷为等幅载荷，记第i 次飞行载荷作用n i 次，按Miner 线性累积损伤理论，等幅载荷作用下的损伤与载荷作用次数成正比，则(2)式等价于：

,0()

i

i i n n e V =

(3) 式中，n i,0为考虑环境影响的当量载荷作用次数。即吸湿后等幅载荷作用n i 次造成的疲劳损伤相当于室温常态下同样大小载荷作用n i,0次。

② 若疲劳载荷为变幅谱

若疲劳载荷为变幅谱，由于室温常态环境下的数据获取比吸湿后的数据获取要容易，可以通过疲劳性能测试获取大量的材料性能数据基础上，采用疲劳分析方法进行损伤分析，以广泛采用的Miner 线性累积损伤理论为例。

以第i 次飞行对应的载荷-时间历程数据为基础，设第i 次飞行包含m 级载荷，则对应的室温常态环境下的疲劳损伤为：

,,01

,0

m

i j i j j n d N ==

?

(4)

式中：n i,j 为第i 次飞行第j 级载荷作用次数；N j,0为室温常态环境下第j 级载荷作用的寿命。 ③ 若以飞行时间作为寿命指标

记第i 次的飞行时间为ΔN i ，则相当于材料未吸湿状态下的飞行小时数为：

,0()

i

i i N N e V D D =

(5) 2.1.2 考虑环境影响的寿命分析

一般而言，可由式(2)、(4)依次确定结构第i 次飞行考虑环境影响的疲劳损伤d i,0。

1

n

i i d a ==?

(6)

式中，α为临界损伤，与室温常态下进行疲劳分析的损伤临界值相同。则结构寿命终止，由此确定n 值，即可确定考虑环境影响的疲劳寿命。如果载荷谱为等幅载荷，记室温常态寿命为N 0，则当：

,001

1

()

m m

i

i i i i n n N e V ====∑∑

(7) 时，使用环境下寿命终止。式中，N 0为室温常态环境下的寿命。从而，使用环境下的寿命为：

1

i

n i

i N n ==∑ (8)

若以飞行小时表示损伤状态，记N 0为室温常态环境下以飞行小时数表示的寿命，则以式(5)为基础，当：

,001

1

()

m

m

i

i i i i N N N e V ==??==∑∑

(9) 时，使用环境下寿命终止。

2.2 考虑环境影响的疲劳分析方法 1、基本步骤

① 由载荷谱和关键部位细节应力分析得到关键部位的名义应力谱；

② 选择等寿命曲线形式；

③ 建立材料的p-S-N 曲线数据族，由于材料p-S-N 曲线受到环境影响，要建立对应不同吸湿率V 后的材料e-p-S-N 曲线族；

④ 采用线性累积损伤(Miner)理论估算使用环境条件下的安全寿命。 2、 e －p －S －N 曲线

① 寿命修正形式的S-N 曲线

指定应力水平下室温常态下的寿命为N 0，则吸湿率为V 的材料寿命为：

00()()()()

p p N V N e V N V N e V =?=? (10)

式中：N 0、N p0分别为材料在室温常态下的特征寿命和对应可靠度p 的安全寿命；N(V)、N p (V)分别为吸湿率为V 在室温常态下的特征寿命和对应可靠度p 的安全寿命。

取p －S －N 曲线为如下三参数式：

000

(1)p p p p A S C N α=+

(11)

式中：C p0为室温常态下对应可靠度p 的疲劳极限；A p0、0p α分别为室温常态环境下对应可靠度

p 的曲线参数。

从而 e －p －S －N 曲线寿命修正形式的表达式如下：

1

0000

()()()(

)

p p p p p p C A N V e V N e V S C α=?=?- (12)

② 参数修正预腐蚀疲劳曲线的一般形式

()

()()(1)()

p p p m p

A V S C V N V α?=+

(13)

式中：C p (V)、A p (V)、()p V α为对应吸湿V 的p －S －N 曲线参数。

完全确定三个参数随V 的变化规律在工程上难以实现。可以假设对应吸湿率V 的结构关键部位指定应力比R *

下p －S －N 曲线与室温常态下该部位的p －S －N 曲线具有相同的函数形式和形状参数，即有

0()(1)()

p p p p A S C V N V α=+

(14)

式中：形状参数0p α、A p0值为室温常态下该部位p －S －N 曲线的对应参数值，通常取为材料p －S －N 曲线的相应参数值0α、A 0。参数C p (V)则由关键部位在谱载下的安全寿命N p (V)反推或疲劳试验测试得到。

3、安全寿命估算

设一个完整的载荷谱周期有m 级载荷，对应H 个飞行小时。当根据使用要求给定或由实际使用情况统计得到第j 年的飞行强度为j (YFH)飞行小时数，则第j 年的损伤为

1

,(YFH)()

()()

m

j

i j i p i

j n V D j H

N

V ==

∑

(15)

式中：n i (V j )为第j 年第i 级应力作用的次数；N p,i (V j )为结构经过j 年地面停放吸湿在第i 级应力作用下的安全寿命；V j 为经过j 年地面停放吸湿后的吸湿量。

而N p,i (V j )由第j 年的p －S －N 曲线求出，

1/0,*

()1()p i j i p j A N V S C V α?? ?

?= ?

- ?

??

(16)

式中：*i S 为载荷谱中第i 级载荷(应力)(S i ，R i )由等寿命曲线折算到指定应力比R *下的当量应力；C p (V j )为第j 年p －S －N 曲线参数疲劳极限。

逐年累加损伤，当在n pc 年使总损伤

1

() 1.0pc

n j D D j ===∑ (17)

则飞机结构只考虑地面停放预腐蚀影响的安全寿命为

∑==pc

n j j pc N N 1

Δ (18)

3 确定环境影响系数e 的途径 3.1 严格确定e(T)的方法

e(T)可用结构关键部位模拟件的疲劳试验确定。用N 0表示模拟件在使用载荷谱下试验室环境(室温大气环境)疲劳试验所得的中值寿命，而用N j 表示在停放日历时间T j ，对应吸率为V j 时实施飞行载荷谱下的疲劳试验所得的中值寿命，则：

()j j N e T N =

(19)

为确定e(T)曲线，必须取q 组(q≥3)模拟件在停放环境下分别放置不同的时间T j (j=1, …, q)，或在加速试验环境谱下吸湿到相当于地面停放环境下放置T j 时间，然后进行疲劳试验，同时进行一组模拟件在使用载荷谱和室温大气环境下的疲劳试验。在取得q 个N j 数据和N 0后，可由式(19)算出e j ，并由q 组(T j , m j )数据拟合出e(T)曲线。

3.2 确定e(T)的加速试验方法

通常结构在使用环境下的吸湿过程是非常缓慢的，而结构的使用年限又很长，如果在实际环境条件下实现与结构相同使用日历年限的吸湿过程，是不可能实现的，从而必须采取加速试验方法，即在实验室环境下采取加重环境因素，实现短期达到外场长期使用的吸湿量。

直升机使用情况的特点

1、环境条件下直升机结构有两个主要特点： ① 对直升机结构而言，造成疲劳损伤的载荷主要发生在飞行过程中。 ② 飞行时间与地面停放时间相比为小量，与停放环境相比，通常飞行时的环境条件会好一些。

2、在考虑环境影响对直升机结构使用寿命的影响时，有如下两个特点： ① 停放环境的影响占主导地位，空中飞行环境的影响相对较小，甚至可以忽略。

② 直升机结构会频繁停放-飞行交替，可以不必针对每次飞行进行损伤分析或评估，而应以年或一定时间周期为单位，将飞行载荷适当归并，归并时考虑最恶劣的环境条件。 3.2.1 e(T)的试验测定

1、为测定N 0，可采用指定疲劳关键部位模拟试件，进行室温大气环境和使用载荷谱下的成组疲劳试验，得到一组疲劳寿命N k0(k=1, …, m 0)，假设其服从对数正态分布，则0

1001

m m k k N N =?

?= ?

??

∏。

2、为测定N 0j ，可采用一组相同的模拟试件，先在加速试验环境条件下吸湿到相当于外场吸湿率V j ，然后在室温大气环境和使用载荷谱下进行成组疲劳试验，得到疲劳寿命N kj (k=1, …, m j )，中

值寿命j

j

m m k kj j N N 1

10???

? ??

=∏

=。

3、为测定环境影响曲线，需要选定若干个吸湿率V j (j=0, 1, …, q)，用(q+1)组模拟试件，1组用于测定N 0，q 组则分别加速吸湿到吸湿量为V j 后进行室温大气环境和使用载荷谱下成组疲劳试验，测得q 个N 0j ，从而获得q 组(V j ，e j )数据，采用合适的函数关系式对数据进行拟合，确定e —V 曲线。

4、 e —V 曲线形式

通常随着吸湿量的增加，疲劳寿命会降低，环境影响系数e 值会不断下降。并且e —V 曲线具有如下性质：

①V=0时，e(0)=1；②V=∞时，e(∞)=0；③ 随着吸湿量的增加，疲劳寿命不断降低，即有： e’(V)<0。 5、 e —V 曲线关系式的选取

关于e —V 曲线关系式，通常有如下几种函数形式： ①

1.0e

V e α

β-=- ②

e

V e α

β=

3.2.2 典型的加速环境

通常可取加速环境为温度T=71℃，相对湿度RH=85%。 3.2.3 吸湿量与外场使用时间的换算关系

1、 加速系数估计方法1

1122/()

2/()1C T C T t e K t e

??--== (20)

式中，K 为加速系数；t 2为加速时间；t 1为实际使用环境下的暴露时间；T 1φ1为实际暴露的温度(℃)和相对湿度；T 2φ3为加速环境的温度(℃)和相对湿度；C ——试验系数。

2、加速系数确定方法2

此方法利用不同环境下扩散率之比进行估算：

21

12

t D K t D =

= (21) 在热力学理论上，扩散系数D 满足：

0exp(/)D D C T =-

(22)

式中，D 0、C 为室温下不同吸湿环境中的扩散常数；T 为绝对温度。 这两种方法的估算结果常常不一致，应采用偏于安全的结果。

4 示例 4.1 试验内容

模拟结构实际使用环境条件，进行不同吸湿量后的疲劳性能测试，进行5种不同吸湿量下的成组疲劳试验，5种吸湿量包括干态、常态、吸湿状态1(吸湿量M 1)、吸湿状态2(吸湿量M 2)和平衡吸湿。试验内容见表1。

表1 试验内容

序号 吸湿状态 试验 试件数 有效试件数

1 干态 烘干+疲劳 9 8

2 常态 疲劳 9 8

3 吸湿状态1 吸湿+疲劳 8 7

4 吸湿状态2 吸湿+疲劳 10 8 5

平衡吸湿

吸湿+疲劳

9

8

4.2 试验结果

疲劳试验结果见表2。

表2 各种状态下的寿命

吸湿状态

试件号 寿命/次 吸湿状态

试件号 寿命/次 烘干6天

1 1310391 吸湿12天 1 434216

2 1339382 2 603252 3

404282 3 429553 4 994918 4 728086 5 541134 5 316865 6 601518 6 740949 7 1331240 7 430490 8 383021 8 354333 常态

1 214734 吸湿6天 1 208379

2 77397

3 2 111156 3

1079959 3 176259 4 1335617 4 2099731 5 1651845 5 514461 6 953187 6 722989 7 462277 7 1964741 8 173038 8 526889 吸湿4天

1

274436 吸湿4天 5 1177951 2 951628 6 626034 3 204800 7 1317167

4

307826

4.3 试验结果分析

4.3.1 特征寿命估计

假定疲劳寿命服从对数正态分布，记x =log N ，则x 的概率密度函数为

])(21exp[π21

)(2

σμσ--=

x x f ，相关参数按下式估计：

^^1

^

^21

501log 1(log )110n

i

i n i i N n s N n N μμσμ==?=???

==-?-??=??

∑∑ (23) 表3 不同吸湿状态的寿命分布参数

吸湿状态 中值寿命/次 对数寿命标准差

干态 764894 0.235 常态 645637 0.364 吸湿4天 553880 30 吸湿6天 489583 0.470 吸湿12天

482425

0.139

4.3.2 吸湿影响系数

定义吸湿影响系数e V 为

V

V N e N =

(24)

式中，N V 为吸湿率为V 的试件中值寿命；N 0为常态下的试件中值寿命。

表4 吸湿影响系数

序号 吸湿率V /% 环境影响系数e V

1 -0.09316

1.18471 2 0 1 3 0.06997 0.85788 4 0.09953 0.75829 5

0.13154

0.74721

显然，随着吸湿率的增加，寿命逐渐降低，当材料达到平衡吸湿状态时，寿命下降了(1-0.74721)×100%=25%。

4.3.3 吸湿影响系数eV 随吸湿率的变化

将(V ，e V )数据对绘在坐标纸上，如图2所示。

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.6

0.70.80.91.0

1.11.21.3e V

V /%

e V =(1+V )

-2.17104

图2 (V ，eV)数据

从图中可以看出，可以采用如下函数形式对上述数据进行拟合。

(1)b

V e V =+ (25)

将上式两边取对数，转化为线性，采用最小二乘法拟合得到b =-2.17104。

5 结论

本文针对直升机结构的使用特点，建立了一种采用吸湿影响系数曲线进行等损伤折算和疲劳分析评定桨叶复合材料结构疲劳寿命的方法；并经过试验验证，在工程应用方面具有重要的实际意义，积累了宝贵的经验。

参 考 文 献

[1] 刘文珽，李玉海，贾国荣. 腐蚀条件下飞机结构使用寿命评定与监控方法研究. 北京航空航天大学学报，1996.22(3):259～263

[2] 刘文珽，李玉海，杨旭. 飞机结构日历寿命体系. 北京：航空工业出版社，2004

[3] 杨乃斌，倪先平. 直升机复合材料结构设计. 北京：国防工业出版社，2008

[4] 中国航空研究院. 复合材料结构设计手册. 北京：航空工业出版社，2001

Study of Counting Natural Life of the Helicopter Rotor balde

considering the influcence of the hot and wet environment

Xu Haibin Ma Zhanqi Fan Jianfeng

(A VIC Harbin Aircraft Industry Group Co.Ltd, Harbin, 150066, China)

Abstract：It’s proved that the temperature and humidity are the most important factors on the capabi lity of the composite material .This research was based on the relevant experiments, And according the results of tests, build

a new method of analysis the natural life of the rotor blade considering the influence of the hot and wet

conditions.

Key W ords：environment, natural life, composite material

金属基复合材料的种类与性能

金属基复合材料的种类与性能 摘要：金属基复合材料科学是一门相对较新的材料科学，仅有40余年的发展历史。金属基复合材料的发展与现代科学技术和高技术产业的发展密切相关，特备是航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统的迅速发展对材料提出了日益增高的性能要求，除了要求材料具有一些特殊的性能外，还要具有优良的综合性能，有力地促进了先进复合材料的迅速发展。单一的金属、陶瓷、高分子等工程材料均难以满足这些迅速增长的性能要求。金属基复合材料正是为了满足上述要求而诞生的。 关键词：金属；金属基复合材料；种类；性能特征；用途 1. 金属基复合材料的分类 1.1按增强体类型分 1.1.1颗粒增强复合材料 颗粒增强复合材料是指弥散的增强相以颗粒的形式存在，其颗粒直径和颗粒间距较大，一般大于1μm。 1.1.2层状复合材料 这种复合材料是指在韧性和成型性较好的金属基材料中含有重复排列的高强度、高模量片层状增强物的复合材料。片曾的间距是微观的，所以在正常比例下，材料按其结构组元看，可以认为是各向异性的和均匀的。 层状复合材料的强度和大尺寸增强物的性能比较接近，而与晶须或纤维类小尺寸增强物的性能差别较大。因为增强物薄片在二维方向上的尺寸相当于结构件的大小，因此增强物中的缺陷可以成为长度和构件相同的裂纹的核心。 由于薄片增强的强度不如纤维增强相高，因此层状结构复合材料的强度受到了限制。然而，在增强平面的各个方向上，薄片增强物对强度和模量都有增强，这与纤维单向增强的复合材料相比具有明显的优越性。 1.1.3纤维增强复合材料 金属基复合材料中的一维增强体根据其长度的不同可分为长纤维、短纤维和晶须。长纤维又叫连续纤维，它对金属基体的增强方式可以以单项纤维、二维织物和三维织物存在，前者增强的复合材料表现出明显的各向异性特征，第二种材料在织物平面方向的力学性能与垂直该平面的方向不同，而后者的性能基本是个向同性的。连续纤维增强金属基复合材料是指以高性能的纤维为增强体，金属或他们的合金为基体制成的复合材料。纤维是承受载荷的，纤维的加入不但大大改变了材料的力学性能，而且也提高了耐温性能。 短纤维和晶须是比较随机均匀地分散在金属基体中，因而其性能在宏观上是各向同性的；在特殊条件下，短纤维也可以定向排列，如对材料进行二次加工（挤压）就可达到。 当韧性金属基体用高强度脆性纤维增强时，基体的屈服和塑性流动是复合材料性能的主要特征，但纤维对复合材料弹性模量的增强具有相当大的作用。 1.2按基体类型分 主要有铝基、镁基、锌基、铜基、钛基、镍基、耐热金属基、金属间化合物基等复合材料。目前以铝基、镁基、钛基、镍基复合材料发展较为成熟，已在航天、航空、电子、汽车等工业中应用。在这里主要介绍这几种材料 1.2.1铝基复合材料 这是在金属基复合材料中应用最广的一种。由于铝合金基体为面心立方结构，因此具有良好的塑性和韧性，再加之它所具有的易加工性、工程可靠性及价格低廉等优点，为其在工程上应用创造了有利条件。再制造铝基复合材料时通常并不是使用纯铝而是铝合金。这主要是由于铝合金具有更好的综合性能。

复合材料结构分析总结

复合材料结构分析总结 说明：整理自Simwe论坛，复合材料版块，原创fea_stud，大家要感谢他呀 目录 1# 复合材料结构分析总结（一）——概述篇 5# 复合材料结构分析总结（二）——建模篇 10# 复合材料结构分析总结（三）——分析篇 13# 复合材料结构分析总结（四）——优化篇 做了一年多的复合材料压力容器的分析工作，也积累了一些分析经验，到了总结的时候了，回想起来，总最初采用I-deas，到MSC.Patran、Nastran，到最后选定Ansys为自己的分析工具，确实有一些东西值得和大家分享，与从事复合材料结构分析的朋友门共同探讨。 （一）概述篇 复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成，其主要优点是具有优异的材料性能，在工程应用中典型的一种复合材料为纤维增强复合材料，这种材料的特性表现为正交各向异性，对于这种材料的模拟，很多的程序都提供了一些处理方法，在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相应的处理方法。笔者最初是用I-Deas下建立各项异性材料结合三维实体结构单元来模拟（由于研究对象是厚壁容器，不宜采用壳单元），分析结果还是非常好的，而且I-Deas强大的建模功能，但由于课题要求要进行压力容器的优化分析，而且必须要自己写优化程序，I-Deas的二次开发功能开放性不是很强，所以改为MSC.Patran，Patran 提供了一种非常好的二次开发编程语言PCL（以后在MSC的版中专门给大家贴出这部分内容），采用Patran结合Nastran的分析环境，建立了基于正交各项异性和各项异性两种分析模型，但最终发现，在得到的最后结果中，复合材料层之间的应力结果始终不合理，而模型是没有问题的（因为在I-Deas中，相同的模型结果是合理的），于是最后转向Ansys，刚开始接触Ansys，真有相见恨晚的感觉，丰富的单元库，开放的二次开发环境（APDL 语言），下面就重点写Ansys的内容。 在ANSYS程序中，可以通过各项异性单元（Solid 64）来模拟，另外还专门提供了一类层合单元（Layer Elements）来模拟层合结构（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191）的复合材料。 采用ANSYS程序对复合材料结构进行处理的主要问题如下： （1）选择单元类型 针对不同的结构和输出结果的要求，选用不同的单元类型。 Shell 99 ——线性结构壳单元，用于较小或中等厚度复合材料板或壳结构，一般长度方向和厚度方向的比值大于10； Shell 91 ——非线性结构壳单元，这种单元支持材料的塑性和大应变行为； Shell 181——有限应变壳单元，这种单元支持几乎所有的包括大应变在内的材料 的非线性行为； Solid 46 ——三维实体结构单元，用于厚度较大的复合材料层合壳或实体结构；

复合材料建筑结构及其应用

纺硕1101 钟翠学号：2110040 读书报告 ——关于《纤维复合材料在建筑工业中的应用与特点》的读书报告建筑业在国民经济中占有很重要的地位，不论是哪个国家建筑工业都是国民经济的支柱产业之一。随着社会的进步，人们对居住面积、房屋质量和娱乐设施等提出越来越高的要求，已成为推动建筑工业改革发展的动力。 建筑工业中，传统的建筑材料是砖石结构、钢结构、木结构、钢筋混凝土结构。从环境保护角度来看，砖石结构、木结构的使用会越来越少，钢结构和钢筋混凝土结构虽然在现代建筑中发挥着主导作用，但由于其质量大，建筑面积利用率较低等缺点仍难以满足各个方面的要求。因此，必须改善现有的建筑材料和发展新型的建筑材料。随着军工生产与航空航天而发展越来的纤维复合材料，由于具有良好而独特的性能，适应了现代工程结构向大跨度、高耸、重载、高强和轻质方向的发展，在土木建筑工程中的应用日益扩大。 纤维增强复合材料（fiber reinforced polumer/plastic,简称FRP）是由纤维增强材料和基体材料按一定比例混合并经过一系列工艺流程复合形成的高性能新型材料。它不仅具有单一组分材料的基本特性，而且能产生比任一组分材料更加优越的性能。目前工程上应用的FRP主要为碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）和芳纶纤维（AFRP）增强的树脂基体。用于建筑工程结构的FRP主要采用长纤维增强为主，主要产品形式有：片材、筋材和索材、网格材和格栅、拉挤型材、模压型材靠等。纤维布是目前应用最广的形式，主要应用于结构工程加固，使用前不润树脂，加固时用树脂浸润后粘贴于结构表面。 复合材料在建筑工业中用途十分广泛，从基础到屋面、从内外墙板到卫生洁具、从门窗到建筑装饰、从承重结构到全复合材料房屋，均可用复合材料来制造。根据国内外复合材料建筑结构的应用情况，用于建筑方面的复合材料制品可以归纳为如下几类。 ⑴复合材料承重结构用于承重结构的复合材料建筑制品有：桁架、柱、梁、承重折板、屋面板、楼板、梯子、加强筋等。这些复合材料构件主要用于化工厂房、码头等需要防腐的建筑，高层结构及全复合材料房屋等要求质量轻的建

复合材料结构

复合材料结构设计的特点 (1) 复合材料既是一种材料又是一种结构 (2) 复合材料具有可设计性 (3) 复合材料结构设计包含材料设计 复合材料区别于传统材料的根本特点之一可设计性好（设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计） 具体体现在两个方面1力学设计——给制品一定的强度和刚度、2功能设计——给制品除力学性能外的其他性能 复合材料力学性能的特点 (1) 各向异性性能材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵向，用字母L表示，与其垂直的另一主方向称为横向，用字母T表示。通常的各向同性材料中，表达材料弹 )和ν(泊松比)或剪切弹性模量G。 对于复合材料中的每个单层，纵向弹性模量E L、横向弹性模量E T、纵向泊松比νL (或横向泊松比νT)、面内剪切弹性模量G LT。 耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、弯扭耦合与扭弯耦合 (2) 非均质性 耦合变形：层合结构复合材料在一种外力作用下，除了引起本身的基本变形外，还可能引起其他基本变形。 (3)层间强度低 在结构设计时，应尽量减小层间应力，或采取某些构造措施，以避免层间分层破坏。 研究复合材料的刚度和强度时，基本假设： (1) 假设层合板是连续的。由于连续性假设，使数学分析中的一些连续性概念、极限概念以及微积分等数学工具都能应用于力学分析中。 (2）假设单向层合板是均匀的，多向层合板是分段均匀的。 (3) 假设限于单向层合板是正交各向异性的：即认为单向层合板具有两个相互垂直的弹性对称面。 (4) 假设限于层合板是线弹性的：即认为层合板在外力作用下产生的变形与外力成正比关系，且当外力移去后，层合板能够完全恢复其原来形状。 (5) 假设层合板的变形是很小的。 上述五个基本假设，只有多向层合板的分段均匀性假设和单向层合板的正交各向异性假设，与材料力学中的均匀性假设和各向同性假设有区别。 平面应力状态与平面应变状态 平面应力状态：单元体有一对平面上的应力等于0。（σz＝0，τzx＝0，τzy ＝0） 平面应变状态（平面位移）：εz＝0（即ω＝0），τzx＝0(γ31＝0)，τzy ＝0(γ32＝0 )， σz一般不等于0。 复合材料连接方式 复合材料连接方式主要分为两大类：胶接连接与机械连接。胶接连接：受力不大的薄壁结构，尤其是复合材料结构；机械连接：连接构件较厚、受力大的结构。

复合材料总思考题及参考答案

复合材料概论总思考题 一．复合材料总论 1.什么是复合材料？复合材料的主要特点是什么？ ①复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。 ②1）组元之间存在着明显的界面；2）优良特殊性能；3）可设计性；4)材料和结构的统一 2.复合材料的基本性能（优点）是什么？——请简答6个要点 （1）比强度，比模量高（2）良好的高温性能（3）良好的尺寸稳定性（4）良好的化学稳定性（5）良好的抗疲劳、蠕变、冲击和断裂韧性（6）良好的功能性能 3.复合材料是如何命名的？如何表述？举例说明。4种命名途径 ①根据增强材料和基体材料的名称来命名，如碳纤维环氧树脂复合材料 ②(1) 强调基体：酚醛树脂基复合材料（2）强调增强体：碳纤维复合材料 （3）基体与增强体并用：碳纤维增强环氧树脂复合材料（4）俗称：玻璃钢 4.常用不同种类的复合材料(PMC，MMC，CMC)各有何主要性能特点？ 5.复合材料在结构设计过程中的结构层次分几类，各表示什么？在结构设计过程中的设计层次如何，各包括哪些内容？3个层次 答：1、一次结构：由集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、相几何和界面区的性能； 二次结构：由单层材料层复合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何三次结构：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。 2、①单层材料设计：包括正确选择增强材料、基体材料及其配比，该层次决定单层板的性能； ②铺层设计：包括对铺层材料的铺层方案作出合理安排，该层次决定层合板的性能； ③结构设计：最后确定产品结构的形状和尺寸。 6.试分析复合材料的应用及发展。 答：①20世纪40年代，玻璃纤维和合成树脂大量商品化生产以后，纤维复合材料发展成为具有工程意义的材料。至60年代，在技术上臻于成熟，在许多领域开始取代金属材料。 ②随着航空航天技术发展，对结构材料要求比强度、比模量、韧性、耐热、抗环境能力和加工性能都好。针对不同需求，出现了高性能树脂基先进复合材料，标志在性能上区别于一般低性能的常用树脂基复合材料。以后又陆续出现金属基和陶瓷基先进复合材料。 ③经过60年代末期使用，树脂基高性能复合材料已用于制造军用飞机的承力结构，今年来又逐步进入其他工业领域。 ④70年代末期发展的用高强度、高模量的耐热纤维与金属复合，特别是与轻金属复合而成金属基复合

铝基复合材料综述

铝基复合材料综述 XXXXXXXXXXX 摘要铝基复合材料凭借密度小、耐磨、热性能好等优点在航天航空等领域占有优势地位。文中综述了铝基复合材料的种类、铝基复合材料性能、各种铝基复合材料的制备和应用以及发展前景。 关键词铝基复合材料种类性能制备应用 Abstract Al-based alloys have advantages in the field of the aerospace by the advantages of small density , anti-function ,good thermal performance and so on. This article discussed the kinds ,performance ,approach , use and development prospect of Al-based alloys. Key words Al-based alloys kind performance approach use

1.引言 自20世纪80年代金属基复合材料大规模研究与开发以来，铝基复合材料在航空，航天，电子，汽车以及先进武器系统等领域得到迅速发展。铝基复合材料的制备工艺设计高温、增强材料的表面处理、复合成型等复杂工艺，而复合材料的性能、应用、成本等在很大程度上取决于其制造技术。因此，研究和开发心的制造技术，在提高铝基复合材料性能的同时降低成本，使其得到更广泛的应用，是铝基复合材料能否得到长远发展的关键所在。铝在制作复合材料上有许多特点,如质量轻、密度小、可塑性好,铝基复合技术容易掌握,易于加工等。此外,铝基复合材料比强度和比刚度高,高温性能好,更耐疲劳和更耐磨,阻尼性能好,热膨胀系数低。同其他复合材料一样,它能组合特定的力学和物理性能,以满足产品的需要。因此,铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一。2.铝基复合材料分类 按照增强体的不同,铝基复合材料可分为纤维增强铝基复合材料和颗粒增强铝基复合材料。纤维增强铝基复合材料具有比强度、比模量高,尺寸稳定性好等一系列优异性能,但价格昂贵,目前主要用于航天领域,作为航天飞机、人造卫星、空间站等的结构材料。颗粒增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料、飞机零部件、金属镜光学系统、汽车零部件;此外还可以用来制造微波电路插件、惯性导航系统的精密零件、涡轮增压推进器、电子封装器件等。 3.铝基复合材料的基本成分 铝及其合金都适于作金属基复合材料的基体，铝基复合材料的增强物可以是连续的纤维，也可以是短纤维，也可以是从球形到不规则形状的颗粒。目前铝基复合材料增强颗粒材料有SiC、AL2O3、BN等，金属间化合物如Ni-Al，Fe-Al和Ti-Al也被用工作增强颗粒。 4.铝基复合材料特点 在众多金属基复合材料中，铝基复合材料发展最快且成为当前该类材料发展和研究的主流，这是因为铝基复合材料具有密度低、基体合金选择范围广、热处理性好、制备工艺灵活等许多优点。另外，铝和铝合金与许多增强相都有良好的接触性能，如连续状硼、AL2O3\ 、

基于ANSYS的大型复合材料风力机叶片结构分析

国　防　科　技　大　学　学　报 第32卷第2期 JOURNA L OF NA TIONA L UNIVERSITY OF DEFE NSE TECHNO LOGY V ol.32N o.22010文章编号:1001-2486(2010)02-0046-05 基于ANSYS的大型复合材料风力机叶片结构分析Ξ 周鹏展1,2,3,肖加余1,曾竟成1,王　进2,杨　军2 (1.国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙　410073; 2.株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲　412007; 3.长沙理工大学能源与动力工程学院,湖南长沙　410076) 摘　要:基于ANSY S软件,对某款应用于G L3A风场的1500kW大型复合材料风力机叶片进行了结构分析。分析结果表明:该叶片的振型以一阶挥舞和一阶摆振为主,其频率分别为0186H z和1159H z;在极限挥舞 载荷作用下,该叶片有限元模型计算得到的叶尖挠度为81445m,而该叶片全尺寸静力试验得到的极限挥舞载 荷作用下的叶尖挠度为8112m,计算值与试验值的误差只有318%;另外,该叶片的最大计算拉应力和压应力 分别为228MPa和201MPa,而该叶片玻纤Π环氧复合材料实测拉伸强度和实测压缩失稳强度分别为720MPa和 380MPa,其计算最大应力只有对应实测极限强度的3117%和5219%。 关键词:复合材料;风力机叶片;结构分析;极限挥舞载荷 中图分类号:TK8 文献标识码:A Structural Analysis of Large2scale Composite Wind Turbine B lade B ased on ANSYS ZH OU Peng2zhan1,2,3,XI AO Jia2yu1,ZE NGJing2cheng1,W ANGJin2,Y ANGJun2 (1.C ollege of Aerospace and M aterial Engineering,National Univ.of Defense T echnology,Changsha410073,China; 2.Zhuzhou T imes New M aterial T echnology C o.Ltd.,Zhuzhou412007,China; 3.C ollege of Energy and P ower Engineering,Changsha Univ.of Science&T echnology,Changsha410076,China) Abstract:Based on the ANSY S s oftware,the structural analysis of a kind of1500kW large2scale com posite wind turbine blade which applied in G L3A wind farm was carried out.The analysis results show that the vibration m odes of this blade are mainly presented as first flapwise m ode and first edgewise m ode,the frequencies of the vibration are respectively0.86H z and1.59H z.At the action of ultimate flapwise loads,the FE M analysis results show that the blade tip deformation is8.445m,while the blade tip deformation of the full scale blade under static test is8.12m,s o the deviation between the calculated and tested value of the blade tip deformation is only 3.8%.M oreover,the calculated maximum tensile stress and the com pressive stress are228MPa and201MPa,while the tested tensile strength and com pressive buckling strength of the glass2fiberΠepoxy com posite are720MPa and380MPa,respectively.C onsequently,the percentages of the calculated maximum stress and the tested ultimate strength are respectively31.7%and52.9%. K ey w ords:com posite;wind turbine blade;structural analysis;ultimate flapwise load 风力机叶片是风力发电机组的关键部件之一,随着世界风力发电机组向大功率方向发展,风力机叶片的长度越来越长,目前世界最长的复合材料风力机叶片是丹麦LM公司生产的,其长度已达6115m,单片重约18t,从而对叶片结构的强度、刚度、重量等的设计提出了更高的要求[1-3]。复合材料具有比强度高、比刚度高、重量轻、可设计性强、承力性能好等特点[4-5],因而在大型风力机叶片中获得了广泛应用。风力机叶片的结构分析作为风力机叶片结构设计的技术基础之一,开始在大功率风力机叶片结构的校核与优化设计中发挥着日益重要的作用。 由于大型复合材料风力机叶片的外形结构和铺层结构都非常复杂,其外形由不同翼型构建而成,属Ξ收稿日期:2009-09-22 基金项目:国家863计划资助项目(2007AA03Z563);中国博士后科学基金资助项目(20070420832);湖南省科技资助项目(2008RS4033) 作者简介:周鹏展(1973—),男,博士后。

Ansys复合材料结构分析操作指导书

Ansys10.0 复合材料结构分析操作指导书

第一章概述 复合材料是两种或两种以上物理或化学性质不同的材料复合在一起而形成的一种多相固体材料，具有很高的比刚度和比强度（刚度和强度与密度的比值），因而应用相当广泛，其应用即涉及航空、航天等高科技领域，也包括游艇、风电叶片等诸多民用领域。由于复合材料结构复杂，材料性质特殊，对其结构进行分析需要借助数值模拟的方法，众多数值模拟软件中Ansys是个不错的选择。 Ansys软件由美国ANSYS公司开发，是目前世界上唯一一款通过ISO9001质量体系认证的分析设计软件，有着近40年的发展历史，经过多次升级和收购其它CAE(Computer Aided Engineering )软件，目前已经发展成集结构力学、流体力学、电磁学、声学和热学分析于一体的大型通用有限元分析软件，是一款不可多得的工程分析软件。Ansys在做复合材料结构分析方面也有不俗的表现，此书将介绍如何使用该款软件进行复合材料结构分析。在开始之前有以下几点需要说明，希望大家能对有限元法有大体的认识，以及Ansys软件有哪些改进，最后给出一些学习Ansys软件的建议。 1、有限元分析方法应用简介 有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是建立在严格数学分析理论上的一种数值分析方法。该方法的基本思想是离散化模型，将求解目标离散成有限个单元(Element)，并在每个单元上指定有限个节点(Node)，单元通过节点相 连构成整个有限元模型，用该模型代替实际结构进行结构分析。在对结构离散后，要求解的基本未知量就转变为各个节点位移(Ansys中称之为DOF(Degree Of Freedom)，试想一下，节点的位移包括沿x,y,z轴的平动和转动，也就是节点的自由度)，节点位移通过求解一系列代数方程组得到，在求得节点位移后，利用节点位移和应力、应变之间的关系矩阵就可以求出各个节点上的应力、应变，应用线性插值便可以获得单元内任意位置的位移、应力、应变等信息。 2、Ansys软件的发展近况 Ansys软件目前已发展到Ansys V12版本，从V10开始Ansys加入了一个新的工作环境Workbench，原先的Ansys被称为Ansys (classic)，虽然操作界面不同，但两者的求解器是一样的。Ansys (classic)的前处理功能相对较弱（主要是建模方面），因而往往需要借助第三方软件，如CAD软件。也许是迫于另一个有限元分析软件ABQUS的竞争压力，Ansys推出了新的Workbench工作环境，Workbench在建模、划分网格、求解和后处理上都作了改进，尤其在建模和划分

复合材料结构及其成型原理

碳纤维复合材料 (西北工业大学机电学院, 陕西西安710072) 摘要：碳纤维复合材料与金属材料相比，其密度小、比强度、比模量高，具有优越的成型性和其他特性，具有极大的发展潜力。本文介绍了碳纤维复合材料的特点及其应用，总结了碳纤维复合材料的成型工艺及每种成型工艺的特点，并从材料和成型两个方面指出了它的发展方向。 关键词：复合材料；碳纤维；成型工艺；工艺流程 Carbon Fiber Reinforce Plastic (School of Mechatronics, Northwes tern Polytechnical University, Xi’an 710072, China) Abstract: Compared to metals, carbon fiber reinforce plastic has great potential for development with lower density, higher specific strength and modulus, and excellent moldability and other characteristics. This article describes the characteristics and applications of carbon fiber reinforce plastic and sum up the manufacturing process of carbon fiber reinforce plastic and their characteristics. Finally, this article points out the development of carbon fiber reinforce plastic from two aspects: material and manufacturing process. Key words: composites; carbon fiber; manufacturing process; process

-复合材料结构分析与成形原理

树脂基复合材料缠绕成型工艺的研究与应用 姓名：刘伟萍 (西北工业大学机电学院, 陕西西安710072) 摘要：随着我国航空事业的发展，先进材料方面的需求越来越急迫，复合材料各方面的 优秀性能使得它在飞机上的应用越来越广泛。现阶段我国在复合材料方面虽然取得了一 定进展，但在成型工艺方面与欧美等国家还存在一定差距。复合材料的成型工艺方法很 多，本文主要介绍了树脂复合材料缠绕成型工艺的特点、工艺流程、及现阶段还存在的 一些问题和相应的解决办法。 关键字：树脂基复合材料缠绕成型工艺流程 The Research and Application of Winding And Forming Process of Polymer Composites Abstract:With the development of Chinese aviation industry,the demand in the spects of advanced materials become more urgent.Because of the excellent properties of composites,it is applied more and more widely in the aircraft.Nowadays,China has made some progress in terms of composite materials ,But in terms of composites forming process,there is still a gap between China and westen developed countries like America and UN.There is A lot of methods in c omposites and winding forming process,this paper describes the characteristics、forming process of polimer composites,it also introduces some problems and corresponding solutions. Keyword:Polymer Composites Winding And Forming Process technological process 1 绪论 1.1复合材料的应用与研究 复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料具有质量轻、比强度、比模量高，较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、耐高温、性能可设计性等特点，因此被大量用于航空航天等军事领域和民用领域，是制造飞机、火箭、航天飞行器等的理想材料。 在航空工业中，复合材料的应用越来越广泛，而且成为衡量飞机性能的重要参数。复合材料成型技术在应用过程中不断积累应用经验,提高技术水平, 完善

铝基复合材料的应用领域及发展前景

铝基复合材料的应用领域及发展前景 铝基复合材料的简单介绍 铝在制作复合材料上有许多特点，如质量轻、密度小、可塑性好，铝基的符合技术容以掌握，易于加工等。此外，铝基复合材料比强度和比刚度高，高温性能好，耐疲劳和耐磨，以及工程可靠性。同其他复合材料一样，它能组合特定的力学和物理性能，以满足产品的需要。因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的，最重要的材料之一。 复合材料的制造包括将复合材料的组分组装并压合成始于复合材料零件的形状。常用的工艺有两种，第一种是纤维与基体组装压合和零件成型同时进行；第二种是先加工成复合材料的预制品，然后再将预制品制成最终形态的零件。前一种工艺类似于铸件，后一件则类似于先铸锭然后再锻成零件的形状。 制造过程可分为三个阶段：纤维排列、复合材料组分的组装压合和零件层压。大多数硼-铝复合材料是用预制品或中间复合材料制造的。前述的两种工艺具有十分相似的制造工艺，这就是把树脂粘合或者是等离子喷涂条带预制品再经过热压扩散结合。 1.挥发性粘合剂工艺 这种工艺是一种直接的方法，几乎不需要什么重要设备或专门技术。制造预制品的材料包括成卷的硼纤维、铝合金箔、气化后不残留的易挥发树脂以及树脂的溶剂。铝箔的厚度应结合适当的纤维间距来选择，通常为50～75μm。 所用的纤维排列方法有两种，单丝滚筒缠绕和从纤维盘的线架用多丝排列成连续条带。前一种工艺因为简单而较常使用。利用滚筒缠绕可能做成幅片，其尺寸等于滚筒的宽度和围长。由于简单的螺杆机构便能保证纤维盘的移动与滚筒转动相配合，故能使间距非常精确和满足张力控制。 铝基复合材料的性能 铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性、含量、分布等。与集体和金相比，铝基复合材料具有许多优良的性能。 低密度 良好的尺寸稳定性 强度、模量与塑性 耐磨性 疲劳与断裂韧性 在硼-铝的压合中有下述一些重要的限制： （1）纤维损伤问题限制了时间-温度参数。 （2）为保证铝的结合和消除孔隙度，时间-温度-压力参数必须高于门限值，因为这是一个受蠕变和扩散限制的过程。 （3）高压力会增加纤维的断裂。 （4）为防止硼氧化要求仔细控制气氛。

复合材料的结构及作用

复合材料的结构及作用 一、复合材料的结构及作用 是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 复合包装材料一般由基层、功能层和热封层组成。 a.基层也是材料的外层，从商品对包装性能的要求出发，外层应具有良好的光学性能、良好的印刷适性、耐磨、耐热、一定的强度和刚度，这样使包装外观具有极佳的表现力，增加了对消费者的吸引力； b.功能层也是材料的中间层，从商品对包装性能的要求出发，应具有很高的阻隔性以及特殊性能，如防潮性、阻气性、阻氧性、保香性、耐化学性、防紫外线、防静电、防锈等，使内装物得到保护，延长其货架寿命，这是包装功能性的体现； c.热封层也是材料的内层，从商品对包装性能的要求出发，内层与内装物直接接触，起适应性、耐渗透性要好，特别的包装食品的复合材料，内层还应符合食品安全的要求，卫生、无毒、无味，要对其进行封合，因此还要有良好的热封性和粘合性。 复合包装一般要满足以下性能： a.强度性能，包括抗张(拉伸)强度，范围一般在40-100MPa，撕裂强度，范围一般在 0.3-3N，破裂强度范围一般在30-50MPa，热封强度范围一般在20-80N/20mm，另外根据不同使用场合，还要求刚性、耐磨性、断裂伸长率； b.阻隔性能，包括透气性能（透空气、O2、CO2、N2）、防潮性能、透湿性能、透光性能(尤其对特定波长的光线)、保香性能； c.耐候与稳定性能，包括抗油性能、抗化学介质、耐温性能、耐候性能、抗降解性能； d.加工性能，包括自动化包装适性、印刷适性、防静电性能、热收缩与尺寸稳定性； e.安全卫生性能，包括材料成分是否安全，细菌微生物的种类和含量多少，其它一些影响安全卫生的成分； f.其它性能，包括光学性能、透明度、白度、光泽度、废弃物处理的难易、展示性等。 被包物不同，对复合包装材料性能的要求也不同，应从被包物对包装功能的要求出发，选择和设计复合包装材料，使用最少的材料，达到保护内装物的目的，节约成本和资源。二、举例说明 聚乳酸/纳米碳管防静电复合材料。此材料是以纳米碳管为导电料通过球磨和密炼2种方法添加到聚乳酸基体中制备的防静电复合材料。具体工艺流程如下：纳米碳管的纯化处理(p-CNT)——纳米碳管功能化(f-CNT)——球磨法或密炼法混合——热压——成型。 聚乳酸可以看做复合材料的基层，是复合材料的基材框架。PLA是一种新型的生物可降解材料，有较好的生物相容性，属于环境友好型材料，符合绿色环保的要求，并且具有良好的透气性及拉伸强度，但抗冲击性能差，对热不稳定。

铝合金的应用领域及发展方向

铝合金的主要应用领域及其发展方向 一，铝合金简介 以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。 二，铝合金的分类 铝合金按照其性质和应用的不同可划分为普通铝合金，超高强度铝合金，耐热铝合金，铝基复合材料。其应用的领域各有侧重，涵盖了铝合金的所有应用领域。 三，铝合金的应用 1，典型用途 1050 食品、化学和酿造工业用挤压盘管，各种软管，烟花粉 1060 要求抗蚀性与成形性均高的场合，但对强度要求不高，化工设备是其典型用途 1100 用于加工需要有良好的成形性和高的抗蚀性但不要求有高强度的零件部件，例如化工产品、食品工业装置与贮存容器、薄板加工件、深拉或旋压凹形器皿、焊接零部件、热交换器、印刷板、铭牌、反光器具 1145 包装及绝热铝箔，热交换器 1199 电解电容器箔，光学反光沉积膜 1350 电线、导电绞线、汇流排、变压器带材 2011 螺钉及要求有良好切削性能的机械加工产品 2014 应用于要求高强度与硬度（包括高温）的场合。飞机重型、锻件、厚板和挤压材料，车轮与结构元件，多级火箭第一级燃料槽与航天器零件，卡车构架与悬挂系统零件 2017 是第一个获得工业应用的2XXX系合金，目前的应用范围较窄，主要为铆钉、通用机械零件、结构与运输工具结构件，螺旋桨与配件 2024 飞机结构、铆钉、导弹构件、卡车轮毂、螺旋桨元件及其他种种结构件 2036 汽车车身钣金件 2048 航空航天器结构件与兵器结构零件 2124 航空航天器结构件 2218 飞机发动机和柴油发动机活塞，飞机发动机汽缸头，喷气发动机叶轮和压缩机环 2219 航天火箭焊接氧化剂槽，超音速飞机蒙皮与结构零件，工作温度为-270~300℃。焊接性好，断裂韧性高，T8状态有很高的抗应力腐蚀开裂能力2319 焊拉2219合金的焊条和填充焊料 2618 模锻件与自由锻件。活塞和航空发动机零件

压电结构纤维及复合材料要点

[1]Brei D, Cannon B J. Piezoceramic hollow fiber active composites[J]. Composites Science and Technology, 2004, 64(2):245-261. 图1 中空压电纤维 一、背景介绍 一般压电纤维复合材料中的压电纤维为实心截面，当驱动该类压电复合材料时，电极放在基体表面，电场因需要穿透非导电基体因而其达到压电纤维时产生大的损耗，因而需要高的驱动电压。另外，该类复合材料的基体必须用不导电材料，这限制了其的应用范围。中空压电纤维复合材料可以降低驱动电压，并且基体材料选择广泛，可以涵盖不导电的环氧树脂和各类导电的金属材料。本文讨论了中空圆环形截面压电纤维的制造和应用，以及纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性问题。 Thin-wall纤维最理想，但存在严重的可靠性问题。总之，对中空压电纤维复合材料，要同时考虑压电纤维品质、制造及可靠性问题。 空心压电纤维复合材料驱动用31模式，实心压电纤维复合材料用33模式。尽管31模式纵向应变比33模式小一半，但所需驱动电压仅需33模式的1/10或更少。 传统的制备技术可以制备出壁厚在压电材料晶粒尺寸量级的中空纤维，但是长度仅有10mm或更短。混合共挤技术可以制备100mm以上的空心纤维。

目前对中空压电纤维复合材料的研究大多限于利用短纤维的径向应变（水声听音设备），本文则研究利用纵向应变。目前对中空纤维的研究主要内容如下：(1)纤维壁内的电场分布(2)电场和应变之间的关系。本文主要研究(3)纤维和基体模量比、中空纤维壁厚与半径比及纤维体积分数对此类复合材料性能、制造及可靠性影响(4)中空纤维质量对复合材料制备和性能的影响。 二、单个纤维及层板的有效性质 中空纤维中的电场： tw E V /t = thin-wall approximation V E(r)r ln(1) -=--α 在这篇文献里没有提到这个公式是近似的，还用这个公式计算了各种厚度的中空纤维的电场，但在后面Lin 和Sodano 的文献中，似乎说为近似的。在一般情况，由该表达式电场内表面大外表面小，最大与最小差值随α增加而增大，这样在外表面达到极化时，内表面处材料有可能由于大的电场产生的应力而损坏。同样在驱动中空纤维时，在外表面难以达到最大工作电压。因此，α小的中空纤维是一个好的选择。 纤维有效31d ： F 31tw 31,eff tw d E d E ln(1)(1/0.5)-??ε== ?-αα-??，F 31,eff d 随着α的增加而降低，即薄壁中空纤维可以产生 高的应变。 单层有效31d ： F 31,eff f f L la min a tw 31,eff tw lam f f m f lam d Y E d E ,Y Y Y (1)Y ??νε===ν+-ν ? ??? 讨论：(1)纤维密度(纤维数/能放入的最大纤维数) 代替纤维体积分数，f f (2)?ν=-αα??，通 过计算发现，thin-wall 纤维虽然d31最高，但由于体积分数的限制，不能使单层达到最高的d31；thick-wall 纤维虽d31不及thin-wall ，但由于可以达到高的体积分数，因而层板的d31较大。(2)层板d31随基体模量增加而降低。最大基体模量由单个纤维能承受的嵌入应力决定，嵌入应力由制备过层中基体与纤维的热应变差别引起（两种材料热膨胀系数不匹配）。纤维的环向、轴向和V on Mises 应力由作者另一篇研究工作给出。研究表明：硬的基体容易导致纤维发生强度破坏，而软的环氧树脂基体容许各种α和f ν而不发生强度破坏。 三、中空纤维制备与评估：

铝基复合材料

内容摘要 本次原位铝基纳米复合材料课程设计主要包括四个任务，即原位铝基纳米复合材料在国内外的应用和研究现状，原位铝基纳米复合材料的制备技术，原位铝基纳米复合材料的性能（其中包括力学性能，磨损性能，热学性能，和蠕变性能）以及原位铝基纳米复合材料制备及应用中存在的关键技术问题。

目录 一.原位铝基纳米复合材料的国内外应用及研究现状 (3) 1.1 原位铝基复合材料的定义 (3) 1.2 原位铝基纳米复合材料在国内外的应用 (3) 1.3 原位铝基纳米复合材料的研究现状 (4) 二.原位铝基纳米复合材料制备技术 (5) 2.1气-液反应制备工艺 (5) 2-2 固-液反应制备工艺 (7) 2-3固-固反应制备工艺 (7) 三. 原位铝基纳米复合材料的性能 (8) 3.1 力学性能 (8) 3.2 磨损性能 (10) 3.3 热学性能 (12) 3.4 蠕变性能 (16) 四.原位铝基复合材料制备及应用中存在的关键技术问题 (17) 参考文献 (17)

一.原位铝基纳米复合材料的国内外应用及研究现状 1.1 原位铝基复合材料的定义 复合材料(composite materials)是由两种或两种以上的材料通过先进的材料制备技术组合而成的性能优异的新材料。一般来说，复合材料由基体和增强材料组成。它既能保留原组成材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分所不具备的性能。[1] 金属基复合材料(MMCs)是以金属或合金为基体，以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或陶瓷颗粒组合为增强相的非均质混合物。在金属基复合材料中，铝基复合材料具有更高的比强度、比模量和低的热膨胀系数，尤其是弥散增强的铝基复合材料，不仅具有各向同性特征，而且具有可加工和价值低廉的优点。在金属基复合材料制备过程中，往往会遇到增强材料与金属基体之间的相容性问题。如果增强体能从金属基体中直接原位生成，则相容性问题可以得到很好的解决。因为原位生成的增强体与金属基体界面结合良好，生成相的热力学稳定性好，不存在基体与增强体之间的润湿和界面反应等问题。[2] 原位铝基复合材料,是利用混合体中组分之间的化学反应,生成一种或多种高硬度和高熔点增强相,均匀分布于铝合金基体上,达到强化基体的作用。由于增强相是反应合成的,内生于基体之中,因而具有许多外加强化相强化铝基复合材料所不具有的独特优点[3]： 1) 增强体在铝基体上原位形核、长大,具有强界面结合、良好的相容性。 2) 通过选择反应物来控制增强相种类、大小和数量,并可以通过工艺来控制其大小和分布,不易出现增强相的团聚或偏析。 3) 省去了增强物的预处理,简化了工艺流程,成本也相对降低。 4) 增强相颗粒细小,往往处于微米级或微米以下,能保证铝基复合材料不但有良好的韧性和高温性能,而且有很高的强度和弹性模量。 5) 能与铸造工艺结合,直接制造出形状复杂、尺寸变化大的近终形产品。 1.2 原位铝基纳米复合材料在国内外的应用 在航空航天方面，A356和A357／SiC颗粒增强铝基原位复合材料可制造飞机液压管，直升飞机支架和阀体。2099铝合金+25％SiC材料可以制造火箭发动机零件。美国DWA特种复合材料公司用f(SiCp)25％增强6061铝合金基复合材料代替7075铝合金生产宇航结构导槽、角材，其密度下降了17％，用A357合金+f(SiC)20％可以制造坦克火力控制镜的基片和导弹机翼。在汽车制造方面，几乎所有的欧美汽车制造厂，在研究采用金属基复合材料制造制动盘、制动鼓。国内已将铝基复合材料应用于刹车轮，使其重量减少了30％～60％，