先进复合材料的CAE虚拟技术（三）

茗敬汶

　　4复合材料数据的特殊性
. y; k( v( D% B* C( \1 _　　根据美国军用复合材料手册(MIL-HDBK-17F)，先进复合材料技术和复合材料数据的特点包括：
, s/ \' _4 f* C& L0 L6 Z　　(1)复合材料包括基体和增强材料，性能表征必须从组分开始。(2)由于复合材料的失效机理与金属材料完全不同，金属的性能测试方法基本上都不适用于复合材料；同时复合材料还有很多特殊的性能表征要求，特别是湿热和抗冲击性能。(3)复合材料是可设计材料(不同比例、不同纤维方向的铺层)，其基本结构元素——层压板的性能表征非常复杂。(4)复合材料的结构与材料同步形成，材料和工艺的变异性对材料(同时也是结构)性能具有重要影响。(5)国际范围仍缺乏复合材料及其结构的设计和使用经验，必须采用积木式的试验验证，因此试验种类和数量远超过金属。(6)复合材料性能数据必须包括：材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构证实；除单独性能表征的标准化外，针对材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构证实等分别给出试验矩阵。(7)MIL-HDBK-17F还规范了不同批次、不同时间、不同实验室的同一复合材料体系试验结果的数据可追踪性，不同厚度数据的归一化处理，异常数据的剔除原则，数据统计处理的方法等原则和操作步骤。
7 {+ f; c2 Q7 I* I* \0 g5 }( |( h6 s" M, \　　5复合材料测试技术与标准体系
% \6 m" u7 \. r* `0 t) l, g　　建立复合材料数据库，复合材料测试技术标准必须先行。
　　由于复合材料性能测试和表征是复合材料及其结构研制与生产的重要组成部分，如此复杂多变的内容对其质量保证和结构验证有着极其重要的影响，同时在研制、生产成本以及时间成本上占有很大比重，因此复合材料性能表征及其标准化一直是复合材料领域的主要研究方向之一。
! U* \. P* Q" J" w$ |　　标准化包含2方面内容，即性能测试的范围和方法(包括试验标准、数量及数据处理方法等)以及针对不同应用情况建议的试验矩阵。
　　随着复合材料及其结构研究的深入以及应用范围的不断扩大，标准化的研究也在不断深入和发展。MIL-HDBK-17F及ASTMD30下属复合材料标准不断地更新，反映了美国复合材料领域在这方面的研究进展。典型的例子是单向层压板拉伸和压缩性能的测定，单向带直边矩形试样对制备状态有严格要求，而且破坏部位往往会在非测量段(夹持区)，使得试验结果偏低，分散性大。采用MIL-HDBK-17F的正交铺层试样试验和折算方法，对试样制备要求低，破坏部位一般出现在测量段，而且分散性小。另外，压缩性能一直是最难测量的，国内迄今仍在执行1983年制订的标准，MIL-HDBK-17F的多种新方法比国内目前现在使用的方法好得多。
$ `- X& M& i. `$ o0 m7 j# h　　6复合材料制件设计、制造的独特性和工艺验证
& d$ V% U/ d4 ^　　(1)复合材料是各向异性材料，具有可设计性，树脂含量、铺层厚度、铺设方向以及各个方向的铺层所占的比例等均作为设计参数。复合材料性能的设计包括选材、层合板强度和刚度的铺层剪裁优化设计等，复合材料制件的设计包括损伤容限设计、连接设计等，这些设计建立在细观力学、弹性力学等的基础上，并考虑特殊服役条件(如温度、湿度和高周疲劳影响等)对性能、结构完整性及其稳定性的影响。
: T# p2 P9 W5 @8 r! `8 q　　(2)复合材料制件在成型零件的同时也完成材料制造的工艺特点，决定了复合材料制件制造时必须同时考虑设计、材料、工艺、制造、检测/无损检测、实验验证等综合因素。复合材料特殊的制备过程和生产过程将显著影响复合材料制件的结构与性能，譬如制造缺陷、工艺宽容度等，这些因素必须在复合材料制件制造过程中统筹考虑。在复合材料制件的研制或生产过程中，质量监控和无损检测占有重要地位，复合材料和制件的质量与人员、设备、方法、环境等因素密切相关，受控环节和数据非常多。
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