我國碳纖維復合材料發展不足-設計水平無法支撐產業進步

  • 2019-06-17
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和金屬材料相比,復合材料從生產到應用,包括了設計,材料和工藝三部分。設計是這個過程的最基礎部分。復合材料的設計水平也直接決定了材料和工藝的發展空間。


和金屬材料相比,復合材料從生產到應用,包括了設計,材料和工藝三部分。設計是這個過程的最基礎部分。復合材料的設計水平也直接決定了材料和工藝的發展空間。

而國內三者中,設計這一環節最顯薄弱,已嚴重制約了我國先進復合材料應用的發展。以航空航天為核心的國防軍工部門尚且如此,其它民用部門情況尤甚。設計影響應用的例子不勝枚舉,如風機葉片設計,國外已大量應用先進復合材料,形成碳纖維應用的大戶,但國內進展很慢。一個重要原因是我們的葉片多是引進工程,沒有原始設計產權,對所用材料不敢做輕易更改。重新設計時連載荷都沒有,因為引進時人家不會詳細給出。

復合材料設計,包括計算分析,是一個專門的技術。國際上認為培養一個成熟的復合材料設計師至少需要10年。國內嚴重缺乏有經驗的復合材料設計人員,已普遍影響到復合材料的應用發展。如復合材料設計中最有特色的乃是鋪層設計,但國內很少有人真正掌握鋪層設計的原則和方法,弄不清材料許用值和結構設計值的來源和用法。有些人知道一點強度理論,但不知道復合材料強度、剛度計算的工程方法,甚至不了解國際上通行的分析和驗證用的“積木式”(BBA-Building Block Approach)方法,很少有人具體掌握復合材料連接設計、疲勞耐久性設計、損傷容限設計、穩定性設計、環境影響及其防護設計、修理設計等許多具體設計技術和要領。

設計人員發不出符合上述諸原則的設計圖紙來,試問生產部門如何進行具體的選材和制造?復合材料必用的連接設計,我們現有的計算方法仍是以前驗證過的方法,已有人指出并不太準確。

設計還有一個重要的問題,即規范和手冊等軟件建設的問題。國外十分重視有組織地制訂相應規范,提出“開發編制全行業標準,改進最終產品一致性”的口號,減少風險,降低成本,促進應用。以各大飛機公司而言無一例外地均有自己的《復合材料設計手冊》,而我們基本沒有。至于專門用于復合材料設計分析軟件的開發,國內也遠遠落后于國際的水平,如Fiber SIM,Hyper Sizer等軟件的開發和應用等。

發展碳纖維復合材料的應用還有很多技術難題需要解決,在碳纖維復合材料設計方面我們還需要更多的投入,對于相關設計的標準和原則也需要進行統一。


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