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碳纤维复合材料结构设计要点
发布人:裕丰碳纤维 发布时间:2018-07-18 17:28 阅读量:

  碳纤维复合材料凭借其众多优秀性能,代替传统金属材料,特别是在一些重要部件的制作中,需要考虑到的因素较多,本文天津裕丰碳纤维小编为大家介绍一下碳纤维复合材料结构件的一些设计要点。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。

  既然是结构部件,那么设计者首先考虑的是碳纤维复合材料的强度与刚度,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。

  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。

  碳纤维复合材料部件在制作过程中,不太可能都采用整体成型,需要部件与部件之间的连接,一般碳纤维复合材料有三种连接方式,机械连接、胶结连接、混合连接。碳纤维复合材料的拉伸疲劳强度要优于金属材料,不过对于复合材料必须要注意受冲击后的压缩、剪切以及层间剪切在载荷作用下引起的疲劳破坏。

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