复合材料结构轻量化方法及技术-论文.pdf

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1、2014年第9期玻璃钢／复合材料85复合材料结构轻量化方法及技术江大志，鞠苏，张鉴炜，肖加余(国防科学技术大学材料科学与工程系，湖南长沙410073)摘要：本文分析和总结了采用纤维增强聚合物复合材料(FRP)实现结构轻量化的主要方法及技术。指出了实现结构轻量化的三个主要方法，一是复合材料的高性能化，即通过进一步提高复合材料的比强度和比模量实现结构减重；二是复合材料高效承载结构构型优化设计，即通过复合材料优势承载能力与结构传力路径的优化配置实现结构减重；三是复合材料复杂结构整体成型，即通过摒弃连接赘重实现结

2、构减重。并给出了实现上述三种结构轻量化方法的技术途径。关键词：纤维增强聚合物复合材料；结构设计；轻量化；力学性能；制备技术中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1003—0999(2014)09—0085—141前言上的结构减重。与金属材料，如铝合金、钛合金和结构钢等相表1典型结构材料的比强度与比模量比，纤维增强聚合物复合材料(FRP)，如玻璃纤维增材料密度拉伸强度拉伸模量比度比模量减重／g·cm／MPa／GPa／1-In／10·m／％强聚合物复合材料(GFRP)、碳(石墨)纤维增强聚结构钢7．8

3、510262060．13070．2630合物复合材料(CFRP)和芳纶纤维增强聚合物复合铝合金2．78393720．14130．2597．5材料(KFRP)等具有高比强度和高比刚度的特点。钛合金4．527121170．15730．25816．9采用FRP设计工程结构可以实现工程结构的减重。E玻纤／环氧1．80106238．6O．5900．21477．9结构轻量化不仅可以降低能源消耗，提高装备性能，Kevlar／环氧1．461400760．95890．52186．4T300／环氧1．6015001810．9

4、3751．13186．1更可以提高装备的集成化水平，从而提高制造效率，T700／环氧1．6223001811．41981．1179O．8降低成本。因此，越来越多的飞行器、轨道交通车辆结构等采用FRP来设计。近年来，FRP在船舶结从表1还可以看出，与其他FRP相比，CFRP具构、桥梁结构、风力发电机转子叶片等领域的应用也有更高的比强度和比模量，采用CFRP的结构设计越来越多。因此，结构轻量化是大型装备设计与制可以实现更大的结构减重。这主要得益于CFRP的造的发展趋势。就结构轻量化的方法而言，主要体更高的拉伸

5、强度和模量。由此推论，在材料密度相现在如下三个方面。当的情况下，提高FRP的力学性能，即实现FRP的首先，FRP在工程结构中应用的基本出发点是高性能化，可以实现结构的进一步减重。碳纳米管利用FRP具有高比强度和高比刚度的特点，替代原增强或纳米相强化FRP可进一步提高复合材料的有工程结构中的金属材料实现结构的减重。比强度比强度，同时提高聚合物复合材料的断裂韧性、耐温和比模量越高，结构的质量越轻。几种典型结构材性、导电和导热性能，在实现结构进一步减重的同料的比强度和比模量见表1。表1还列出了其他材时，实现结构

6、综合性能的改善。料相对于钢的减重效果。从表1可以看出，采用轻第二，FRP替代金属材料实现结构减重还得益金属，如铝合金和钛合金替代钢结构实现的减重不于复合材料结构构型设计的更加灵活多变。除了传超过20％，而采用复合材料替代钢结构可实现超过统的夹层结构、加筋结构等高效承载构型外，通过70％的结构减重。值得指出的是，表1所列减重效FRP力学性能的各向异性和耦合效应可实现结构进果反映的是仅在单轴拉伸载荷下仅考虑拉伸方向的一步减重。利用FRP力学性能的各向异性，通过结强度和刚度时，通过选材实现的结构减重。若考虑构的

7、合理设计，将FRP力学性能的优势方向沿结构复杂应力状态和复合材料的各向异性特性，采用的传力路径布置，实现等强度或等刚度设计，从而最FRP替代铝合金的结构设计，一般可以实现30％以大限度地发挥FRP的力学性能优势，更加有效地利收稿日期：2014—08—05作者简介：江大志(1963．)，男，博士，教授，主要研究方向为高分子基复合材料及其结构设计。FRP~CM2014iNoi92014年第9期玻璃钢／复合材料[6]FangG，LiangJ，LuQ，eta1．InvestigationontheCompress

8、ive5-，1．PropertiesoftheThreeDimensionalFour·-directionalBraidedCom-[25]KimTD．FabricationandTestingofCompositeIsogridStiffenedposites[J]．CompositeStructures，2011，93：392—405．Cylinder[J]．CompositeStructures，1999，45：1-6