浅析复合材料构件的结构设计

引言

复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，具有重量轻、强度高、加工成型方便等优点，在航空航天、汽车等对重量敏感的行业具有广阔的发展前景。但复合材料的材料性能对加工工艺很敏感，并受加强纤维方向影响形成各向异性的材料性能特性。这就给复合材料构件的设计带来了挑战，不能照搬传统金属材料的设计方法和理念。下面就复合材料构件的结构设计，按照设计流程，从结构方案设计，结构强度设计，材料成型工艺和试验验证等方面进行分析。

1 复合材料零件的结构方案设计

复合材料构件的结构方案设计与金属材料有较大不同，复合材料构件的结构应尽量圆滑过渡，避免翻边等型面曲率剧烈变化的结构。由于复合材料的连接主要采用胶结的方式，因此在零组件设计方面，应尽量减少零件数，推荐采用一次成型的加工方案。在关重部位的连接方式上尽量采用预埋金属连接件的方案。

2 结构强度设计

随着有限元设计等先进结构强度设计方式的发展，现代构件的设计从验证设计开始向预测设计转变，传统金属材料的结构强度设计已经趋于成熟，从材料性能、计算流程、校核标准等方面均有章可循，但复合材料构件的结构强度设计目前仍存在一些问题。现阶段可以说基本解决了计算流程的问题，材料性能方面也随着性能实验和计算软件平台的开发逐渐解决，但在校核标准方面尚未形成统一的国家或行业标准和共识。因此在强度设计时需从结构静强度、刚度、动态特性和结构稳定性方面全方位考虑，并选取较大的安全系数来提高结构可靠性。

3 材料成型工艺

由于复合材料成型过程既是结构形成阶段，又是材料性能形成的阶段，因此复合材料构件对材料成型工艺提出了较高的要求，既要满足结构方案中复杂结构一次成型的需求，又要满足强度设计对材料性能指标的规定，同时对材料成型工艺的稳定性要求也比较苛刻。在此阶段，如材料成型工艺攻关不成功，则需降低要求重新进行构件的结构方案和强度设计工作。为减少设计风险，可在初始设计阶段参考成熟成型工艺进行设计，当然带来的损失就是构件重量的增加和构件指标的降低，因此应综合考虑各方面因素，确定最优化的可行性方案。

4 复合材料构件的试验验证

鉴于复合材料组织均匀性差以及分层铺敷的结构特点，对复合材料构件进行试验验证时应重点关注疲劳性能、破损容限等特性，并对材料耐高温、腐蚀性能进行充分验证。

5 结论

通过上述分析，可以看出复合材料构件的设计相对难度较大，但由于复合材料自身的优越性及行业设计能力的提升，必将得到更广泛的应用。