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心所至,无所不至—第一届全国大学生复合材料竞赛后评
来源:中国复材展组委会  2015-09-15 11:24:55
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2009

  “上纬杯”第一届全国大学生复合材料设计制作竞赛伴随着第二十一届中国国际复合材料工业技术展览会的结束而落下了帷幕,参加本次竞赛的同学们收获颇丰,让我们来听听评委老师的精彩点评及获奖同学们怎么说?

  赛事点评:同济大学航空航天与力学学院 董国华(高工)
  本次竞赛的主题是设计制作一根600~1000毫米长的碳纤维复合材料悬臂梁即“轻稳之臂”,看哪个参赛队的作品不仅质量最轻,而且要比当10公斤重的载荷瞬时卸载后,悬臂梁的振动衰减时间最短,两者比分之和谁高谁获胜。制作主要材料由主办方统一给定。
  显然要较好的完成赛题作品,学生除了必须掌握复合材料力学、复合材料结构、复合材料工艺等专业基础知识之外还应熟练应用结构动力学知识才行,这对于本科生来说具有一定的难度及挑战性。但是,我的一些顾虑还是被学生们的实际比赛成绩给打消了。通过各比赛队的海报可知,在指导老师的教诲下,同学们发挥了各自的智慧和优势,通过解析计算、有限元分析和实验分析手段较好的完成了“轻稳之臂”的设计和制作,赛出了水平。譬如:获得一等奖的同济大学一队作品采用了工字梁等强度设计,在复合材料的铺层上采用了阻尼系数较大的正负45°铺层,在工字梁的上缘处添加一层模量低、变形大的泡沫材料作为阻尼结构以提高结构的整体阻尼效果(测试结果:质量56.82克,振动衰减时间127.4毫秒)。又譬如:获得二等奖之一的清华大学队作品也采用了工字梁等强度设计,尤其是腹板采用了正负45°/90°铺层的波纹板,这种波纹腹板工字梁既提高了梁的弯曲稳定性又大大增加了整体结构的阻尼性能,是本赛中振动衰减最快的作品(测试结果:质量245.18克,振动衰减时间60.1毫秒)。获得二等奖之一的武汉理工大学二队作品采用了变截面的矩形梁结构,梁的内部为泡沫芯,其巧妙之处在于利用泡沫芯作为矩形梁的芯模不仅给梁的工艺成型带来了方便,还可作为阻尼结构的一部分的同时又增加了整体结构刚度和承压能力,一举三得。因此该作品是参赛队中质量最轻的一根梁。

  竞赛中有些参赛队的成绩不尽人意,在设计理念上存在偏差。主要有以下方面问题:
  1、没有考虑到悬臂梁的应力成三角形分布进行等强度设计,而是按一般柱梁结构设计。因此,浪费的材料,增加了结构重量。
  2、按理论强度设计,忽略了梁的局部应力集中和局部压缩失稳的细节处理。导致一些悬臂梁无法加载固定或承力未到规定载荷前就发生局部失稳或局部压缩破坏。
  3、对“轻稳之臂”比赛规则理解分析不到位,只考虑满足强度要求,忽略了结构的刚度要求。导致了有的作品挂载后结构产生了微小的永久变形以致卸载后应变值恢复不到初始应变值的附近,失去了“轻稳之臂”的比赛含意。

  由于本次是首届“上纬杯”全国大学生复合材料设计与制作大赛,赛事准备时间比较苍促,在比赛规则的制定和测试方法中还不是十分完美也是在情理之中。测试方法中,人为因素对测试结果的正确性影响较多。如:10公斤载荷的挂吊位置和铅垂度、挂载后的保载时间、瞬间卸载的灵敏度,振动衰减曲线中起点和终点的确定等。望今后赛事不断完善。
  鉴于本人水平有限,难免有不足之处,恳望同仁谅解。
  

   


  参赛选手:同济大学一队 朱升发
  这次竞赛的主题“轻稳之臂”,不仅要求结构质量尽可能轻,还要求结构的振动衰减时间尽可能短。这次竞赛让人感觉焕然一新,与以往的复合材料结构竞赛如SAMPE CHINA等截然不同,不仅考察结构的强度,还考察结构的阻尼性能,更具实际意义。
面对这个全新的赛事,由于结构阻尼性能至今也没有一个准确的模型,我们先按照悬臂梁强度设计的方法,首先进行初步的概念设计,确定为工字梁结构,并在梁的上翼缘测试区附近夹上一层由泡沫组成的阻尼层,以提高结构的阻尼性能。再通过有限元计算分析悬臂梁的应力和变形,然后利用商业软件对方案进行拓扑优化和尺寸优化,从而确定具体方案。
  根据结构方案,我们小组进入悬臂梁的制作环节。根据铺层方案,对预浸料进行划线、剪裁,同时利用简单的工具加工木模,然后一丝不苟的进行铺层、合模,再放入烘箱中固化成型,最后对固化后的作品作后处理。
  我们在指导老师的帮助下,按照比赛规则,对悬臂梁进行了测试。结果却令人大吃一惊,强度没有问题,但是出现了较大的残余应变(按照比赛规则,振动衰减时间为无穷大)。指导老师睿智地指出我们的设计思路有问题,不应是强度设计而是刚度设计,即当结构的应力水平接近强度极限时,应力应变曲线表现出明显的非线性,卸载后会产生一定的残余变形;应当降低结构应力,加载后使之基本处于应力应变曲线的线性段,这样就不会产生明显的残余变形。修正了设计思路之后,我们重新制作了作品,并进行测试分析,得出了满意的结果。
  在比赛测试过程中,上纬(上海)精细化工有限公司的工作人员十分热情,盛情招待了焦急等待的参赛选手。我们也极大地丰富了我们的眼界,也见识了许多优秀的结构形式和制作精美的海报,可见各院校参赛队都为这场盛事倾注了大量的心血。由于这是首届竞赛,比赛规则和测试过程没有到尽善尽美,但瑕不掩瑜,这次复合材料设计制作大赛对我们的复合材料设计制作能力都是一个极大的提升。感谢组委会给了这样一个高校学生进行横向交流学习的平台,同时也希望这个赛事能越办越好!

  参赛选手:武汉理工大学一队  吴维清
  此次比赛,在老师的指导下,我们(舒明杰、吴维清、杨喜、张盛、欧阳佳斯)组成了武汉理工大学一队。“轻稳之臂”的主题要求在保证机械臂整体结构强度足够高和轻量化的同时,也要确保它振动衰减快。
  此次大赛从复合材料结构设计和工艺设计等方面对我们提出了要求,具有较高的挑战性。我们的设计构想基于复合材料的刚度设计及阻尼性能设计两个方面。经过讨论,我们决定采用夹芯工字梁结构来达到减轻重量并且让结构具有较大惯性矩的目的,工字梁的腹板呈现变截面形式;为了增强结构的阻尼系数,在设计复合材料的铺层上,我们采用±45°铺层;为了保证结构能够满足比赛的强度要求,我们用有限元分析软件ANSYS进行了模拟,为结构铺层厚度的设计提供了依据。实验过程中,每个人分工明确,不断进行工艺及模具上的改进力求工艺上的精益求精。经过了多个日日夜夜的努力拼搏,我们最终交出了自己满意的作品。“心所至,无所不至”,也许这就是团队本身的魅力吧!
  我们非常感谢中国复合材料协会、上纬公司以及戴铂公司给我们提供这样一个专业标准化的竞赛平台;本次比赛给我们提供了一个同各大高校优秀学子之间交流的机会,几位行业专家的莅临指导更是让我们受益匪浅,我们相信下一届比赛一定会更加精彩!

  参赛选手:武汉理工大学二队 梅俊杰
  很荣幸参加“上纬杯”第一届全国大学生复合材料设计与制作大赛,在此次比赛中获得机械臂竞赛二等奖,虽然不是十分满意,但我仍感到十分高兴,一次经历,一次成长,我很珍惜这份荣誉。
  我首先要感谢上纬精细化工有限公司的赞助,提供给我们这样一个好的平台,从而使我们获得了这样一个良好的展现自己能力的机会,同时也提高了我们对复合材料结构与设计的理解与认识。其次,要感谢课题组老师对我们的关心和指导。如果没有老师的指导就没有我们今天所取得的成绩,在此,我要深深感谢老师的教诲,还要感谢同学们的帮忙和支持。
  通过此次比赛,使我对碳纤维复合材料有了更深层次的认识,熟悉了热压罐成型的工艺,同时也对ANSYS有限元软件分析复合材料的结构有了更多的了解。在机械臂的制作过程中,我学习到了很多。我们做了很多的试样,有的会比之前的好,也有的比之前的差。每一次的作品都有许多值得思考的地方,通过不断的改进与完善,我们最终才做出了满意的作品。
  通过这次比赛,我更多的是享受到了复合材料结构设计的学习的乐趣,而且,这次比赛促进了我们组员之间的友谊。此次比赛不仅学到了知识,还丰富了我们的业余生活。

  参赛选手 清华大学张汉青
  “碳为观止”的设计理念来源于组合桥梁,采用变截面波纹腹板工字结构,可在避免腹板失稳的前提下充分发挥材料力学性能。在工字梁上翼缘采用两层碳纤维板叠合的形式,通过摩擦错动增大结构阻尼。“上纬杯”首届复合材料竞赛,给了大家一个相互交流的平台,新的理念和设计思想得以碰撞,让我们得以在学习中成长,在交流中进步。竞赛选题新颖,“轻稳之臂”要求结构用最少的材料实现最高的振动稳定性,十分有挑战。预祝第二届竞赛更加成功!
 

  

   

文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=2009