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【大学生竞赛专栏】第三届“上纬杯”全国大学生复合材料设计制作大赛赛事点评
来源:同济大学航空航天与力学学院高工 董国华  2017-09-22 16:20:35
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=128&news_id=5557尊敬的大赛组委会各位领导、各位老师、同学们,大家好!

       本届大赛要求参赛学生需经过精心设计、精心制作完成一件超轻复合材料压缩弹簧,弹簧的技术指标是载荷3000N(不发生破坏)时压缩变形大于60mm,也就是弹簧刚度要小于50,弹簧的结构形式不限,弹簧受载前后的外形尺寸长、宽、高应限于150×150×250mm以内。从这次比赛的成绩看,25所学校的57个弹簧作品中达到技术指标的弹簧有9个,占比15.7%,这说明比赛作品要达到技术指标有难度,有挑战性。

       从57个作品中按结构分类,可分为四大类:螺旋弹簧、板簧、压力环和其他类型。螺旋弹簧占比49 %,板簧占比16 %,压力环占比26 %,其他结构占比9 %,从今天获奖的6个作品中螺旋弹簧有3个占比50 %,板簧1个,C形环2个。为什么有这么多的队伍选择螺旋弹簧呢?因为螺旋弹簧结构尺寸比较小,工作变形量大,安装方便是应用最广的一类弹簧。然而,螺旋弹簧承载时最大应力为扭转剪应力,恰恰纤维增强复合材料的力学性能是拉伸强度、压缩强度高而层间强度和面内剪切强度低,因此采用复合材料制作螺旋弹簧与板簧相比在同等载荷条件下,螺旋弹簧的质量要比板簧大。板簧工作时受力形式是三点弯曲,最大应力为拉压应力,这恰好符合复合材料的力学特性,但是板簧的横向结构尺寸较大,大量应用于运输卡车的悬挂系统中而螺旋弹簧则大量应用于桥车的独立悬挂系统中。本次竞赛作品中,我把圆形的、椭圆型的、双W对称型的等等封闭环结构弹簧作品归类于压力环结构的“弹簧”,由于其刚度较大,变形小,因此它们不叫弹簧,应称作压力环。

       本届获得竞赛一等奖的南京航空航天大学二队作品,他们利用了压力环结构设计制作相对简单,工艺质量容易得到控制的优势,把封闭的压力环打开,巧妙地构思出了C形环结构,化解了压力环刚度大的问题,作品重量136.06g,加载中达到了3000N载荷和大于60mm变形的要求。我非常赞同和喜欢他们这种结构设计思路与创新意识。但是,C形环结构“弹簧”与比赛规则要求略有差异,它不是一个稳定结构,加载中受力点和支撑点随载荷的增大而变动。


南京航空航天大学二队  C形环结构“弹簧”

       获得竞赛二等奖的沈阳航空航天大学二队作品由四个弹簧单元串联而成,每个单元中又由弓形板簧两两并联和两两串联组成,整个弹簧外形类似蜂窝,结构新颖美观,重量144.58g。该弹簧作品充分发挥了复合材料力学性能的长处,加载中弹簧与上下压板的受力点和支撑点虽然向两侧移动,但弹簧的受力中心是固定的,属于一种超轻复合材料压缩“概念”弹簧。


沈阳航空航天大学二队 波形弹簧

       同济大学一队的碳纤维中空簧丝螺旋压缩弹簧获得竞赛三等奖,也是唯一一个获得了最佳工艺外观奖的作品。该作品采用中空结构簧丝,把有限的材料用在了刀刃上,整个螺旋弹簧重189g,是螺旋弹簧中最轻的一个,载荷和位移曲线线性稳定达到了竞赛技术指标要求,其外观圆润光滑。是真正有应用前景的超轻复合材料螺旋压缩弹簧。

同济大学一队 中空螺旋弹簧

       本届竞赛中有些队伍的作品结构设计完全不合理,如:类似矩形环的结构、类似球壳的十字叶蝶形结构,其结构主要受压应力刚度极大根本起不到弹簧功能。

       最后提醒大家要注意的是有些学校的参赛作品出现“三胞胎或双胞胎”现象,这不符合大赛宗旨,希望今后要避免。

       以上赛事点评中有误之处望请大家批评指正!

       谢谢!
同济大学航空航天与力学学院高工 董国华

2017.9.20
 



  文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=128&news_id=5557