为什么要使用复合材料(使用复合材料进行设计的优势)

在使用复合材料进行设计时,必须预先解决一个关键问题:为什么要使用复合材料?这个问题的答案很可能决定了在利用复合材料优势的同时优化设计的方向。

成本、重量、性能、零件数量和复杂性通常是零件设计的关键驱动因素,但这些因素可能相互冲突。例如,如果更轻的重量是“为什么是复合材料”这个问题的答案?与低成本或高性能解决方案相比,该部件可能需要不同的设计方法。有时很难同时获得更轻的重量、更低的成本和同等或更好的性能。通常,设计驱动程序的优先级将决定最佳设计。

在图 1 中,使用复合材料重新设计了管道,在立柱和复杂的肋结构之间添加了系带,以满足所需的性能。这显着减轻了重量,但与最初的简单钢焊接部件相比,无法实现成本降低。

为什么要使用复合材料(使用复合材料进行设计的优势)

降低系统成本的一种设计方法是零件整合,通过减少库存和更快的组装来实现节约。设计人员应考虑将零件组合成一个整体设计,结合配合零件并消除紧固件和连接操作。图 2 通过模制一个零件来代替三个机加工和组装的零件来说明这一概念。

为什么要使用复合材料(使用复合材料进行设计的优势)

对于复合材料工程师来说,了解他们设计的需求并确定其优先级尤为重要。要真正利用复合材料,了解零件的使用方式——包括载荷、连接点、任何尺寸限制、配合零件和使用材料的环境——是关键的第一步。重要的是要了解功能性复合设计可能看起来不像原始金属设计。

设计师在用复合部件替换金属时常犯的一个错误是试图让它们看起来一样。这种方法不太可能利用复合材料的优势。金属设计可能是用各向同性特性(所有方向上的特性相同)建模的,或者可能根本没有建模,只是过度设计以发挥作用。大多数复合材料具有各向异性特性(不同方向的不同特性),应使用这些特性进行建模。不同形式的复合材料具有不同程度的各向异性。

各向异性的高低与材料和制造工艺有关:手糊/真空袋/高压釜、喷涂、RTM、压缩/注塑、缠绕、拉挤等复合材料制造工艺都有不同的各向异性,因此需要不同的设计方法。在各向异性水平更接近各向同性的某些情况下,使用各向同性属性对复合材料进行建模是可以接受的。复合模塑料是使用各向同性特性的一个例子。但是,这应该用作高级别的初步分析,而不是合格的分析。

设计师需要注意制造过程。在图 2 中,钢棒是圆形的,因为这是钢坯的常见形状。配合零件具有易于加工的圆孔,可以组装到圆杆上。复合材料设计师必须达到相同的刚度,这是通过改变杆部件的横截面来实现的。设计师还必须考虑配合零件的连接。在此示例中,一些配合部件已直接模制到杆上。

使用复合材料进行设计分析和建模现在是一门被越来越多的工程师使用的学科。该行业的工程师获得“经验”知识,可以本能地使用随经验增长的复合材料进行设计。当非复合材料工程师试图在金属设计中替代复合材料或将其建模为金属材料时,通常会遇到错误。金属设计通常不是复合材料的最佳设计。

复合材料零件可以通过多种方式进行定制。这种剪裁可以在零件制造过程中进行,也可以在材料本身中进行。零件可以在一个方向上具有局部增强、定向纤维或多根纤维,而不会增加不需要的厚度。例如,铺设的部件在负载路径方向上​​可能有更多的单向纤维层,但在其他方向上有足够的纤维层来处理这些其他方向上所需的力。缠绕部件可以改变缠绕角度以增强特定方向的性能。无规纤维压缩成型部件可能在需要额外强度或刚度的区域添加了局部连续纤维材料。同样,由于是由多个元素组成的“复合体”。

复合材料可提供可定制的解决方案。性能或价值不仅在于机械性能或重量,还包括美观、导电性、隔热性、防弹或抗冲击性、火焰/烟雾/毒性合规性或其他增值属性。

总而言之,复合材料设计是一个复杂的过程,需要考虑关键驱动因素,包括成本、重量、性能、零件数量和复杂性。相对优先级将受到服务负载、服务环境/性能、连接、特定零件要求、各向异性特性和制造过程的影响。本专栏简要介绍了这些内容,但都值得深入了解以确保最佳设计。

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