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[摘 要]由于复合材料的制造水平和一个国家的航空航天、汽车等对重量敏感的先进应用领域有着最为直接的关系，需要引起我国的重视。由于复合材料所表现出来的独特性，不能照搬传统的金属材料加工方法。基于此，本文对相关的内容进行了探讨，希望可以为相关的理论和实践提供借鉴。
[关键词]复合材料 构件 结构设计
中图分类号：F840.61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0276-01
一、引言
复合材料技术研究水平的高低甚至可以看出一个国家科技水平发展的如何，可见对其研究具有重要的现实意义。当前，复合材料技术在航空航天等领域中获得了广泛的应用。尤其在飞机制造业，其使用的复合材料非常多，而且应用了很多先进的复合材料制造技术。然而，由于复合材料的独特性能，其对加工工艺非常敏感，并受加强纤维方向影响形成各向异性的材料性能特性，因此，在成型加工过程中，不能对传统的金属材料加工成型方法进行照搬。基于此，本文在对复合材料铺层成型方法进行分析的基础上，分别从零件的结构方案设计、成型工艺、强度设计以及试验验证等方面对结构设计的具体内容进行了探讨。
二、复合材料构件的相关概述
复合材料是指由两种或者两种以上的不同物质以不同的组合方式组合而成的材料。其是一种高强度、高刚度增强材料铺设在基体中所构成的新型材料，具有高比强度、高比模量、良好的抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点。自从上世纪六十年代以来，复合材料技术获得了飞快的发展。复合材料和传统的金属材料相比，复合材料可以在保证几何尺寸和形状不变的情况下，减轻质量，提高性能。
正是由于复合材料这种明显的性能优势使得其在飞机制造中的机翼、机身、雷达罩、整流罩、平尾上中获得了非常广泛的使用。对于目前来说，复合材料的应用已经由传统的小型、简单的次承力构件逐渐向着大型、复杂的主要承力构件发展的过程。
三、复合材料构件的具体成型过程
复合材料具有一个明显的特征，其不仅本身是材料，而且又具备结构的特征，材料和结构同时完成。在当前运用的复合材料构件成型过程中，有着多种方式，常见的有铺层成型、模压成型、编织法成型等等。本文以铺层成型法为例进行详细分析，以为下文复合材料构件的结构设计提供基础。
铺层成型是复合材料整体构件制造常用的主要方法之一，它是根据构件的结构特点、几何尺寸和性能要求同时进行材料选择、工艺设计和结构设计的一种特殊的先进复合材料结构件的成型方法。它将单向或有纬织物预浸料按照预先设计好的方向和层数进行铺设，然后在热压罐中抽真空加压固化，最后形成满足要求的零件。
铺层成型法制作复合材料构件已经成为当前应用较为成熟的一种成型方法，尤其适合在制造结构复杂、对尺寸精度要求较高的复合材料构件中，在航空等重点领域获得了非常广泛的应用。在该种技术中，预浸料下料是其中最为关键的工序之一，需要耗费较长的时间，投入较多的人员以及场地，如果处理不好，就会造成材料的浪费。传统中常采用手工切割方法进行下料，不仅效率低下，而且尺寸精度差，要对大量的下料样板进行管理。本文认为，可以采用当前先进的全自动化预浸料下料技术，以提高生产效率，降低生产成本，其相应的自动化技术下料流程如下图所示：
四、对复合材料构件的结构设计分析
（1）零件的结构方案设计
在对复合材料构件的结构方案时，要和传统的金属材料构件的结构设计方案有所区分，在设计复合材料构件结构时，在过渡上要尽量圆滑，避免出现翻边等型面曲率剧烈变化的结构。在当前的复合材料连接方式中，采用胶结的方式是最为常见的，因此在对零组件设计方面，要采取措施尽量减少复合材料的零件数。可以应用当前比较普遍的一次成型加工方案，同时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）构件成型工艺
在复合材料构件的成型过程中，由于其形成的不仅是结构的形式还有结构的性能，因此对构件成型工艺具有较高的要求。不仅要满足结构方案中复杂结构一次成型的需求，又要满足强度设计中对材料性能指标的规定。除此之外，复合材料构件的稳定性也将是一个重要的参考依据。在实际过程中，如果按照较严格的要求对复合材料构件进行成型，而又没有达到相应的成型效果，可以采取降低要求重新进行构件和强度设计的方式。如果担心在成型过程中存在过多的设计风险，可以在一开始的设计阶段就对成熟的成型工艺进行参考，不过采取这一方法就是带来了增加构件重量和降低指标的缺陷。因此，在选择最优化、最科学合理的可行性方案中，要对相关的各种因素进行综合考虑。
（3）构件的结构强度设计
当前，对于金属材料构件的强度设计已经是一个比较成熟的门类，无论在材料性能、校核标准以及计算流程方面都有着完善的理论。相比于金属材料构件，对复合材料的结构强度设计也是非常重要的一个方面，随着当前有限元设计等先进结构强度设计方式的发展，传统对构件的验证设计方式开始得到转变，逐渐转向预测设计的理念。不过在复合材料构件结构强度设计的实践中，仍然存在着一系列明显的问题，比如，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，在对复合材料构件的设计中，不过要考虑结构静强度、刚度和动态特性等，还要对稳定性等做全方位、全方面的考虑，同时还要注重在设计中选取较大的安全系数来显著提升复合材料构件的可靠性。
（4）构件的试验和验证
和金属材料构件相比，复合材料构件具有较差的组织均匀性以及分层铺敷的明显结构特点。因此，在实践中对复合材料构件进行试验验证时，要重点对其破损容限以及疲劳性能等做重点关注。除此之外，仍然不能忽视一些传统的指标，比如，复合材料的耐高温、耐腐蚀性因素等，都需要做充分的验证。
五、结语
综上所述，由于复合材料的制造技术，紧密关系着我国科技水平的发展，应该引起足够的重视。复合材料和金属材料有着较大的区别，较差的组织均匀性使得其具有相对较大的设计难度。笔者认为，可以结合复合材料的结构特性，改进传统成型方法、加强对先进自动化技术的应用，为进一步提升我国复合材料制造水平、促进航空航天、汽车等先进领域的快速发展贡献力量。
参考文献：
[1]彭惠芬，夏晔，王鹏，王程. 复合材料层合结构层间应力分析[J]. 河北工业科技，2015，02：1.
[2]沈学涛，李伟，李克智. C/C-ZrC复合材料的微观结构和力学性能研究[J]. 无机材料学报，2015，05：459-466.
[3]金健，朱延娟. 复合材料复杂结构件数据采集及曲面重构[J]. 机电一体化，2013，05：23-26+84.
[关键词]复合材料 构件 结构设计
中图分类号：F840.61 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）40-0276-01
一、引言
复合材料技术研究水平的高低甚至可以看出一个国家科技水平发展的如何，可见对其研究具有重要的现实意义。当前，复合材料技术在航空航天等领域中获得了广泛的应用。尤其在飞机制造业，其使用的复合材料非常多，而且应用了很多先进的复合材料制造技术。然而，由于复合材料的独特性能，其对加工工艺非常敏感，并受加强纤维方向影响形成各向异性的材料性能特性，因此，在成型加工过程中，不能对传统的金属材料加工成型方法进行照搬。基于此，本文在对复合材料铺层成型方法进行分析的基础上，分别从零件的结构方案设计、成型工艺、强度设计以及试验验证等方面对结构设计的具体内容进行了探讨。
二、复合材料构件的相关概述
复合材料是指由两种或者两种以上的不同物质以不同的组合方式组合而成的材料。其是一种高强度、高刚度增强材料铺设在基体中所构成的新型材料，具有高比强度、高比模量、良好的抗疲劳性、抗腐蚀性等一系列优点。自从上世纪六十年代以来，复合材料技术获得了飞快的发展。复合材料和传统的金属材料相比，复合材料可以在保证几何尺寸和形状不变的情况下，减轻质量，提高性能。
正是由于复合材料这种明显的性能优势使得其在飞机制造中的机翼、机身、雷达罩、整流罩、平尾上中获得了非常广泛的使用。对于目前来说，复合材料的应用已经由传统的小型、简单的次承力构件逐渐向着大型、复杂的主要承力构件发展的过程。
三、复合材料构件的具体成型过程
复合材料具有一个明显的特征，其不仅本身是材料，而且又具备结构的特征，材料和结构同时完成。在当前运用的复合材料构件成型过程中，有着多种方式，常见的有铺层成型、模压成型、编织法成型等等。本文以铺层成型法为例进行详细分析，以为下文复合材料构件的结构设计提供基础。
铺层成型是复合材料整体构件制造常用的主要方法之一，它是根据构件的结构特点、几何尺寸和性能要求同时进行材料选择、工艺设计和结构设计的一种特殊的先进复合材料结构件的成型方法。它将单向或有纬织物预浸料按照预先设计好的方向和层数进行铺设，然后在热压罐中抽真空加压固化，最后形成满足要求的零件。
铺层成型法制作复合材料构件已经成为当前应用较为成熟的一种成型方法，尤其适合在制造结构复杂、对尺寸精度要求较高的复合材料构件中，在航空等重点领域获得了非常广泛的应用。在该种技术中，预浸料下料是其中最为关键的工序之一，需要耗费较长的时间，投入较多的人员以及场地，如果处理不好，就会造成材料的浪费。传统中常采用手工切割方法进行下料，不仅效率低下，而且尺寸精度差，要对大量的下料样板进行管理。本文认为，可以采用当前先进的全自动化预浸料下料技术，以提高生产效率，降低生产成本，其相应的自动化技术下料流程如下图所示：
四、对复合材料构件的结构设计分析
（1）零件的结构方案设计
在对复合材料构件的结构方案时，要和传统的金属材料构件的结构设计方案有所区分，在设计复合材料构件结构时，在过渡上要尽量圆滑，避免出现翻边等型面曲率剧烈变化的结构。在当前的复合材料连接方式中，采用胶结的方式是最为常见的，因此在对零组件设计方面，要采取措施尽量减少复合材料的零件数。可以应用当前比较普遍的一次成型加工方案，同时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）构件成型工艺
在复合材料构件的成型过程中，由于其形成的不仅是结构的形式还有结构的性能，因此对构件成型工艺具有较高的要求。不仅要满足结构方案中复杂结构一次成型的需求，又要满足强度设计中对材料性能指标的规定。除此之外，复合材料构件的稳定性也将是一个重要的参考依据。在实际过程中，如果按照较严格的要求对复合材料构件进行成型，而又没有达到相应的成型效果，可以采取降低要求重新进行构件和强度设计的方式。如果担心在成型过程中存在过多的设计风险，可以在一开始的设计阶段就对成熟的成型工艺进行参考，不过采取这一方法就是带来了增加构件重量和降低指标的缺陷。因此，在选择最优化、最科学合理的可行性方案中，要对相关的各种因素进行综合考虑。
（3）构件的结构强度设计
当前，对于金属材料构件的强度设计已经是一个比较成熟的门类，无论在材料性能、校核标准以及计算流程方面都有着完善的理论。相比于金属材料构件，对复合材料的结构强度设计也是非常重要的一个方面，随着当前有限元设计等先进结构强度设计方式的发展，传统对构件的验证设计方式开始得到转变，逐渐转向预测设计的理念。不过在复合材料构件结构强度设计的实践中，仍然存在着一系列明显的问题，比如，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，在对复合材料构件的设计中，不过要考虑结构静强度、刚度和动态特性等，还要对稳定性等做全方位、全方面的考虑，同时还要注重在设计中选取较大的安全系数来显著提升复合材料构件的可靠性。
（4）构件的试验和验证
和金属材料构件相比，复合材料构件具有较差的组织均匀性以及分层铺敷的明显结构特点。因此，在实践中对复合材料构件进行试验验证时，要重点对其破损容限以及疲劳性能等做重点关注。除此之外，仍然不能忽视一些传统的指标，比如，复合材料的耐高温、耐腐蚀性因素等，都需要做充分的验证。
五、结语
综上所述，由于复合材料的制造技术，紧密关系着我国科技水平的发展，应该引起足够的重视。复合材料和金属材料有着较大的区别，较差的组织均匀性使得其具有相对较大的设计难度。笔者认为，可以结合复合材料的结构特性，改进传统成型方法、加强对先进自动化技术的应用，为进一步提升我国复合材料制造水平、促进航空航天、汽车等先进领域的快速发展贡献力量。
参考文献：
[1]彭惠芬，夏晔，王鹏，王程. 复合材料层合结构层间应力分析[J]. 河北工业科技，2015，02：1.
[2]沈学涛，李伟，李克智. C/C-ZrC复合材料的微观结构和力学性能研究[J]. 无机材料学报，2015，05：459-466.
[3]金健，朱延娟. 复合材料复杂结构件数据采集及曲面重构[J]. 机电一体化，2013，05：23-26+84.