即将直播：飞行器碳纤维复合材料设计仿真技术及应用（9月17日）

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导读：曾几何时，笔者受邀在仿真秀做《航天产品随机振动分析与案例实操》技术分享，时隔一年零二个月！由于工作原因，一直比较忙，很久没有和工程师朋友分享交流了。正值2023飞行器设计仿真技术交流月期间，笔者再次受邀在飞行器设计仿真系列讲座第七期做《飞行器复合材料仿真设计技术及应用》报告。分享蜂窝板材料等效力学参数计算、碳纤维材料力学参数及校核方法和复合材料仿真分析方法等飞行器复合材料仿真设计与应用。

作为一名结构设计工程师，在理论计算方面肯定和高校老师有一定差距，但是在工程实践上，还是积累了一些经验，希望能够引发工程们的共鸣。

一、何为复合材料

复合材料是一种多相固体材料，是指由两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料。也就是说，通过“复合”，保留材料的主要优点，克服组分材料的缺点，从而产生新的优异材料。

复合材料按其结构特点主要分为：纤维增强型复合材料，将各种纤维增强体置于基体材料内部复合而成，主要是碳纤维材料；夹层复合材料，由性质不同的表面材料和芯材组合而成，通常面材料强度高、薄，芯材质量轻、强度低，但具有一定刚度和厚度，主要是蜂窝夹层材料。

复合材料在飞行器领域广泛的应用，比如导弹弹头的烧蚀放热材料，卫星上的铝蜂窝支撑结构，战斗机的复合材料机翼等等。复合材料在飞机上的用量甚至成了衡量飞机先进性的重要指标。

二、蜂窝夹层结构

蜂窝夹层结构作为一种超轻固体孔洞结构，具有高比强度、比刚度等特性，广泛应用于航空、航天、船舶等领域。对蜂窝夹层结构力学特性的研究一直都是工程界的热点。蜂窝板结构复杂，而工程应用中又多采用蜂窝板组合结构。如果采用有限元方法以实体建模方式进行分析计算，则会耗费大量的计算时间。工程中一般将蜂窝板等效为均质连续材料，并用一系列各向异性材料系数对其力学性能进行描述。因此,需要准确计算蜂窝结构的等效力学参数。

蜂窝结构的应力应变关系为

(1)

式中

为应变，

为应力。工程中将蜂窝结构等效为正交各向异性材料，其柔度分量矩阵S可以表示为：

(2)

式（2）中

为三方向拉伸弹性模量，

为三方向剪切弹性模量，

为三方向泊松比。当蜂窝板夹层结构如图1所示时，根据变形协调原理可以得到如式（3）所示方程。

(3)

由于夹层结构的面板和芯材为串联，故各部分的向拉应力、向剪应力以及向剪应力相同，可以得到如式（4）所示方程。

(4)

和

为上下面板力学参数向量,

和

为蜂窝夹层板窝芯等效力学参数向量，

为面板厚度，

为蜂窝夹层板窝芯高度，h为蜂窝夹层板总高度。

当蜂窝板窝芯单元为正六边形，如图2所示时，可以把蜂窝板窝芯单元折合成一个等体积实心等效体，难么等效体的总变形能应当与基本单元体的总应变能相等，从而推出窝芯单元的等效力学参数[6]，如式（5）~式（9）所示。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中

为蜂窝夹层结构芯材厚度，

为蜂窝夹层结构芯材边长，

为芯材材料拉伸弹性模量，

为芯材材料剪切弹性模量。

此外，等效密度也是重要的力学参数，有必要对其表达式进行推导。忽略蜂窝板中的胶层质量，应用等质量假设，即等效体应与原蜂窝结构具有相同的质量，可以得到

(10)

式中

为面板材料密度，

为芯材等效密度，

为蜂窝夹层结构等效密度。取图2中阴影部分的矩形作为考虑密度基本单元，

窝芯等效密度为

(11)

式中

为芯材外边长，

为芯材夹角，

为蜂窝壁材料密度

，因为，

相对于c非常小，因此

(12)

三、碳纤维材料

碳纤维材料是一种纤维增强型复合材料，通常以树脂为基体，碳纤维为增强体。和传统的金属材料相比具有高比强度，高比刚度，低热膨胀率等特点。因此，碳纤维结构在保证一定的刚度和强度的前提下，能大大减少重量。然而碳纤维结构的强度和刚度会因不同的设计而发生变化。同样的碳纤维材料，采用不同的铺层设计，会产生截然不同的力学性能。因此，需要通过仿真分析计算，获得相对较优的碳纤维结构设计方案。

碳纤维材料仿真分析方法

四、飞行器复合材料设计仿真公开课

自8月16日开始，仿真秀将围绕飞行器的总体设计、强度分析、空气动力和流固耦合、气动噪声、电磁光学、飞控等多个技术领域，共有十余场精彩的免费直播分享。分享嘉宾有来自高校的知名教授，也有如空客这样跨国巨头公司的资深工程师。还有从事飞行器设计资深的工程师。最后我们也诚挚邀请国内其他高校\研究院所的教授、研究员和课题组，来仿真秀做技术交流和分享。

2023飞行器设计仿真技术交流月第七期讲座《飞行器复合材料仿真设计技术及应用》报告，将邀请仿真秀优秀讲师青梅煮酒带讲授，蜂窝板材料等效力学参数计算、碳纤维材料力学参数及校核方法和复合材料仿真分析方法等。这次讲座将以蜂窝夹层结构和碳纤维结构为切入点，讲述复合材料仿真分析与设计要点。重点在于如何获得复合材料的等效力学参数，以及强度校核办法，希望大家能在这次讲座中有所获益。

以下是课程安排，欢迎报名和回看。

2023飞行器设计仿真（七）：飞行器复合材料仿真设计技术及应用-仿真秀直播

（完）

来源：仿真秀App

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首次发布时间：2023-09-14