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2019“上纬杯”第五届全国大学生复合材料设计与制作大赛技术点评
来源:中国国际复材展  2019-09-17 11:06:46
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文章关键词: 2019“上纬杯”第五届全国大学生复合材料设计与制作大赛技术点评

原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-246-8603.html

 
尊敬的各位领导、老师、同学们下午好!
 
  2019“上纬杯”第五届全国大学生复合材料设计与制作大赛题目是《复合材料吸能柱》。形状为管状,尺寸控制在100×100×80mm矩形柱的棱廓包络线范围,为了能稳定的加载,吸能柱的两端必须是平行平面,且吸能柱的高度统一为80mm(最大误差不得超过1mm)。
 
  比赛规则对吸能柱性能要求:
 
  1. 吸能柱出现稳定的压溃变形,不得出现整体欧拉失稳的情况;
 
  2. 峰值载荷Fpeak不得低于80kN,不得高于120kN,经过峰值载荷后,最小载荷不得低于25kN,变形位移能达到50mm变形。
 
  3. 在吸能柱满足外形和性能要求的前提下,对载荷-位移曲线进行积分计算,获得吸收的能量,取该能量与作品质量的比值为比吸能。比吸能值高者胜出。本次比赛中符合性能要求的作品只占了总数的30.8%。
 
  下面我从作品设计理念、制作工艺等方面谈点看法:
 
  1)参赛者要熟读、精读比赛规则,正确理解《复合材料吸能柱》的技术性能要求是比赛作品设计理念最根本的第一步。我在比赛交流大群里了解到有些学生(包括个别指导老师和组委会工作人员)对比赛规则的理解有偏颇。错误的认为“吸能柱在加载位移50mm过程中最大峰值载荷什么时候出现皆可,只要不超过极限载荷120KN”。忽略了作为承力构件“吸能柱”的强度要求,偏面地追求“吸能能力”,混淆了吸能柱的一个基本概念:首先它是一个结构柱,其次要有吸能功能。也就是吸能柱在正常工况下它只承载力而不吸能,只有在紧急工况下它才要求有吸能功能(即以结构的部分损伤换取人生的安全)。例如:民用航空飞机座椅,座椅的设计极限载荷是设计使用载荷的1.5倍,座椅可至少承受3g而不丧失主要承载功能(中国航空工业总公司1994-10-31中规定,现在航空座椅已经改为16g时不能完全丧失承载能力)。所以对比赛题目及其技术性能要求的正确解读至关重要。但是有些队伍(占5%)在审题时就出了问题,把一个要求刚性的结构柱设计成了一个弹性的结构柱了(弹簧了)。
 
  2)复合材料吸能柱的管状外形看似简单,但是如何运用复合材料力学、复合材料结构理论知识进行优化设计对于本科生或研究生都是一个挑战,因为,针对聚合物基纤维增强复合材料的吸能机理非常复杂。我个人认为:不同承载形式的复合材料结构它的吸能机理是不一样的,比如说受冲击弯曲的梁与受冲击压缩的柱,前者以弯曲变形吸收能量,而后者则以稳定压溃变形吸收能量,两者设计理念截然不同。有关复合材料构件的吸能设计目前还没有成熟的理论计算公式。尽管本届比赛有难度,但在老师的指导下我从海报中看到了同学们的智慧和才能,首先在结构外形设计中有超过四分之三的队伍都采用了圆柱型,这是非常合理的外形。圆柱型在承压中是属于最稳定的结构,它在任意方向上的倾倒力矩相等。在结构设计计算方面,同学们以复合材料力学的理论为设计估算依据,用实验对比的方法对吸能柱的直径大小、纤维铺设角度、铺层厚度设计进行分析、优化也是不错的举措,值得赞赏,并取得了很好的成绩。例如:获得一等奖的华东理工一队、二等奖的东华大学CCAC三队、同济大学二队等队伍,他们的作品铺层设计都以零度纤维和小角度取向为主,充分发挥了碳纤维复合材料的轻质高强、高弹作用,同时又利用了单向复合材料横向和层间强度较弱容易压溃来实施吸能,其中横向90度纤维用来加固结构柱和在加载位移过程中维持其稳定压溃而不会完全丧失承载能力起到关键作用(这是我个人对复合材料吸能柱的设计机理的理解)。有些队伍则采用了较大的纤维铺设角度如正负45度、30度等,显然压缩强度、弹性模量都低,但是吸能效果是否好呢?显然不是。还有近10 %的队伍采用了大柱套小柱、多边形柱的捆绑组合的形式的柱型结构。我认为该设计理念属于实心圆柱轻量化的一种思路,不利于复合材料局部损伤稳定压溃实施吸能作用。
 
  有许多队伍都在吸能柱的上端部作了倒角或是局部修整,这个设计理念其实就是引入一个预损伤,可以起到降低最大峰值载荷和提高最小载荷的作用,是个很好的结构微调方法。不过与修整量的大小、角度以及材质工艺是否稳定都有密切关系。本次比赛中有近40%的作品由于没有处理好结构的微调而超出了规定的极限峰值载荷,非常可惜。
 
  3)从复合材料吸能柱的工艺制作方面谈几点:
 
  吸能柱的模具可以采用阳模也可以采用阴模,通常要根据制品形状尺寸要求、铺层方案、加压(设备)条件、脱模方便等进行选择。如果对外形尺寸精度不高,选用阳模比较合适,阳模具有铺层方便、定位准确、模具加工容易等优势。本次比赛队伍中极大多数采用了阳模,其中也有用竹筷组合模具也是一种不错的方案(脱模更容易,成本低)。
 
  对于薄壁管柱来说,理想的工艺应该是采用缠绕工艺方法。由于组委会统一发的材料是碳纤维单向预浸料,我们只能采用传统的铺贴工艺方法,所以如何把吸能柱做成外形美观、材质密实无明显缺陷、纤维分布均匀对称,我认为是非常困难的。 复合材料专业人士都明白一点就是复合材料的缺陷(如气泡、皱褶和分层)对于其压缩强度非常敏感。因此,本届吸能柱作品的制作工艺对于参赛同学也具有挑战意义。可喜的是获得一等奖的华东理工一队的复合材料吸能柱不仅材质密实而且外形圆整光滑,当然其吸能比达到了111.3最高值远远超出其他队伍,说明了一个好的复合材料制品离不开完美的设计和优良的制作工艺,两者缺一不可。
 
  对于复合材料压缩加载试验的构件,切割加工非常重要。试件支撑面和加压面不仅要相互平行而且与试件的中心轴一定要垂直,否则将会产生偏载而使得试件倾斜、劈裂,大大降低其应有的承载能力。切割刀具必须采用金钢砂轮片加水切割。如果采用金属加工刀具切割会使复合材料局部受到损伤、分层等伤害而降低其应有的承载能力。
上述点评如有不妥之处望请指正。谢谢大家!
 
同济大学航空航天与力学学院董国华
 
2019年九月4日    
 
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-246-8603.html

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