碳纖維復(fù)合材料5大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn):

碳纖維夾心結(jié)構(gòu)復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料，尤其在制造重要的結(jié)構(gòu)部件中的應(yīng)用，中間需要考慮的影響因素非常多。

1.強(qiáng)度與剛度

既然是結(jié)構(gòu)部件，那么首先要考慮的是強(qiáng)度和剛度。部件在外力載荷的作用下，有抵抗變形與破壞的能力，但是這個(gè)能力又是有限度的。

如何確定部件的使用載荷，不會(huì)過(guò)部件的能力極限，是通過(guò)材料力學(xué)計(jì)算得出。而部件的這個(gè)能力極限，就是碳纖維夾心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者需要考慮的問(wèn)題。

通過(guò)合理的搭配纖維和樹脂，優(yōu)化纖維排布，用較少的材料，滿足設(shè)計(jì)需求，體現(xiàn)了復(fù)合材料設(shè)計(jì)者精湛的技巧。不過(guò)決定復(fù)合材料強(qiáng)度與剛度的因素，不但與纖維和樹脂的種類有關(guān)，還與碳纖維的鋪層方向以及層與層之間結(jié)合搭配有關(guān)。

所以，在設(shè)計(jì)碳纖維夾心結(jié)構(gòu)部件時(shí)，需要考慮三個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。①由基體和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層材料，其力學(xué)性能決定于組分材料的力學(xué)性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區(qū)的性能。②由單層材料層合而成的層合體，其力學(xué)性能決定于單層材料的力學(xué)性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列) 。③頂層結(jié)構(gòu)是指通常所說(shuō)的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能決定于層合體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)幾何。

2.穩(wěn)定性

除了強(qiáng)度與剛度要求，還需考慮復(fù)合材料部件的失穩(wěn)，尤其是對(duì)一些細(xì)長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)，在受壓時(shí)，應(yīng)該能夠保證其原有的直線平衡狀態(tài)。對(duì)于一些框架結(jié)構(gòu)部件，如果鋪層不均勻，也會(huì)產(chǎn)生翹曲失穩(wěn)，所以在制造過(guò)程中尤其注意。采用對(duì)稱鋪層，以防變形不均勻。一般情況下，在部件沒有達(dá)到極限載荷之下，不允許產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。但是如果對(duì)于一些特殊要求，可以產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，那么設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮失穩(wěn)過(guò)程不會(huì)因此影響極限載荷。

3.鋪層結(jié)構(gòu)

鋪層結(jié)構(gòu)是碳纖維夾心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，如何把單層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能傳遞到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件上，鋪層結(jié)構(gòu)起到承上啟下的作用。

4.連接

碳纖維復(fù)合材料部件開發(fā)過(guò)程中，不太可能都采用整體成型技術(shù)，需要進(jìn)行部件與部件之間的連接的，則需要對(duì)連接形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般來(lái)講，碳纖維復(fù)合材料部件的連接有三種形式：機(jī)械連接、膠結(jié)連接、混合連接。機(jī)械連接適用于連接件厚度大、可靠性要求較高、傳遞較大集中載荷的情況。膠結(jié)主要是利用粘結(jié)劑將零件連接成不可拆分的整體。混合連接是膠結(jié)和機(jī)械連接的組合，它可以提高抗剝離、抗沖擊、抗疲勞、抗蠕變等性能。

5.疲勞與沖擊損傷

復(fù)合材料的疲勞與金屬材料相比，必須考慮溫度、濕度、沖擊損傷等因素。大多數(shù)情況下，沖擊損傷在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中覆蓋了疲勞問(wèn)題。

即使存在肉眼不可見的損傷，也要確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生CAI強(qiáng)度的下降。改善沖擊損傷的損傷容限，可以在碳纖維夾心結(jié)構(gòu)中加入芳綸纖維或者玻璃纖維。