复合材料制品创新设计实践
武汉理工大学是国内办复合材料专业早、久的大学，在复合材料行业里面从业人员也是大的。在2015年玻璃纤维/复合材料行业年会上，武汉理工大学材料学院教授、 博士生导师王钧先生介绍了“复合材料制品创新设计实践”，以下为详细内容。
做复合材料这么多年得出的一个体会，就是我们怎么去看待复合材料，即我们怎么理解复合材料？每个人对复合材料肯定有不同的理解，但是，不同的理解一定会指导你做出不同的产品，我个人觉得复合材料不是一个单独因素影响的或决定的一个制品问题，所以说复合材料既是材料又是结构，它的终目标实际上是制品。那么这个制品它受这四个因素的影响：个就是原材料，第二个就是设计问题，第三个是工艺与设备问题，第四个是测试技术。这四个方面都是复合材料制品中间所必须的，也就是必要条件，但它都不够充分。
那么复合材料是什么呢？复合材料是把这四个方面有机地结合到一起，那么这才是复合材料。为什么做出这样一个模型呢？在学校里面、社会上也经常会有人问到这么一个问题：高分子跟复合材料有什么区别？高分子是我们的原材料。所以，从事复合材料行业的从业人员，不管是从事原材料的，是做产品或者结构设计的，或者是做工艺设备的，不同的点实际都在做复合材料必要的工作，但是我们要把复合材料做好，需要把必要的东西把它有机结合起来，让它充分。所以，复合材料是一个系统的问题，不是某一个单一因素决定的问题。
这也说明，我们有同样的材料，同样的树脂，同样的纤维，为什么我们做出来的复合材料不一样呢？或者说我们有了同样的结构，复合材料又做的不一样；或者说我们有相应的工艺设备，或者双倍的话，复合材料也做的不一样。通过这个模型就可以去理解，因为每一个点它都只是复合材料中的某一部分，而复合材料是把这四个点很好地结合到一起，那么才能做出一个好的复合材料。这就是复合材料要解决的问题是这个系统的匹配问题。
第二个要讲复合材料的特性与创新之间的关系和给我们的启示。复合材料具有可设计性，可以理解为材料、设计、工艺，包括测试方法，它的自由选择性和相互的组合。这种自由的选择实际上就为复合材料和创新提供了一个空间。四个因素相当于我们在玩魔方，我们把它组合在一个变化的空间，那么就可以得到不同的结果。在复合材料里有可设计性，给了我们这个空间、这个自由，在现有基础上，不管是材料上、设计上、结构上、工艺上我们进行一些变化，实际上就可以把创新落实到一个具体的地方，落实到一个具体的产品上去。只要充分发挥设计的关键作用，这个设计不是复合材料里面结构的设计或者产品的设计，而是可设计性中间的设计，把每个人对复合材料的理解运用到具体的实验中就可以创新了。
复合材料的创新可能觉得很难，但是做起来也容易。复合材料的特点给我们创新的启示。
下面我就把科研工作中做的一些实践的东西跟大家进行一下分享。
个就是220KV全复合材料接点桁架塔，即电线杆子。那么复合材料用在这个里面有什么优点？这样复合材料比金属贵多了，要单个来算的话，复合材料肯定是不合算的，但是复合材料有它的优点，优点是什么？就是它可以利用复合材料的绝缘性缩小塔体整个的结构，这个在城市电网改造的过程中有更大的空间，因为城市里拆房子不容易，要扩容的时候因为体积限定了，这是一个；第二个，它可以缩短横断的面积，那么这个时候就可以缩短输电的土地的使用面积，还可以减轻塔的重量。特别是在一些边远或者是在一些高山地区进行安装的时候。但是这个塔要是按照传统金属结构去设计，现在也有很多单位在进行这方面的研究，是把拉挤型材和金属的头直接进行连接。这个过程中，金属头装上去以后，重量没有减；第二金属头若装上，是把绝缘距离大大地缩小，没有起到复合材料绝缘性的特点，也没有利用复合材料减重的特点。实际上做来做去跟原先的、金属的塔重量差不多，体积也差不多，这样就失去了复合材料来做产品的意义。
那么我们怎么去设计？我们就是抓住中间的一个关键点，这个塔体结构关键是结点之间如何去连接来解决这个问题。这个结构给大家看了后实际上很简单，只要充分利用复合材料的特点，把这个特点抓好了。那么这个原料是由拉挤的型材--这个型材是由单独的聚氨酯进行拉挤的，聚氨酯有一些很好的优点。这个型材有强度高、模量高，而且抗开裂强的特点，也可以减少安装人员的工作。在框架外面可以做一个补强的措施，在外面铆上一圈单向布，可以很好地让这个型材发挥拉伸的强度、压缩的强度以及在压缩的时候抗屈曲的特性。这个连接实际上就是用复合材料板把它夹在一起，这个板加的话是正反两面。正反两面的夹板可以让框架结构在受力的过程中间主要把抗扭曲的变化，让它承受的主要是正应力。纤维复合材料里面拉伸强度可以把它的效能发挥到很高的，而在这个连接上面，我们只要把这两个板背着用金属拧紧就会连接起来。这就是整体设计和连接。
这是做一个整体测试。测试为什么是复合材料中的关键因素？不同的测试方法带来的结果是不一样的，会影响对材料的选择。复合材料很多制品都是非典型制品，非典型制品如何去模拟只用在环境中间的那种条件的话，这样是都要重新的测试方法设计的。我们做的这个塔现在在辽宁丹东，它的特点是比同样结构的钢塔减轻了30%的重量，而且它的横断可以缩短60%，能达到预期的效果。
第二个实例是做的天线方位图测试臂。简单一点就是测试天线在电磁波发射过程中的空间方位图。它是什么原理？在一个轴上面有一个固定的臂，这个轴在转动的过程中间，这个臂在空中画圆，就像一个圆规在画一样。
那么一个圆规来画，这么长的臂都有一个挠度，在画圆的过程中间，它就会产生一个不圆度，挠度的问题好解决，可把截面指数做大；不好解决的就是不圆度。这个臂在使用过程中实际上是两个状态，一个状态是在水平状态，也就是说重力产生的弯矩大的状态；第二个转到一定角度，这个时候由于重力产生的弯矩降低了。你就应该设计一个臂，能够随着弯矩的变化而变化，就能够满足不圆的轨迹。我们实际上也是用一个非常简单的办法来解决它。什么办法？就是把臂设计成椭圆形的。椭圆形有一个长轴，有一个短轴。钢度是跟钢度有关的，在弯矩大的时候，长轴是跟弯矩产生重力的方向一致的，转到底部的时候是短轴和它一致。而我们通过这个变化就可以模拟、计算出这个弯矩和这个力的钢度能够校对的基本上一致。这就是我们做的东西。
在做设计时，并不需要做出很复杂的来解决问题，而我们只要把一个事物理解了以后，就能用很简单的办法把问题解决好。
这个测试臂是目前国内精度高的测试臂，通过经纬仪测试，该椭圆截面测试臂在整个运动的过程中顶端不圆度小于等于0.5%，是目前重量轻、精度高的测试臂。
第三是7500KV高压冲击试验塔体设计及测试，该塔体是冲击电压试验装置外保护罩，塔高28m、直径6米。在塔中间不能装任何金属。塔在受重力的时候，塔会产生变形，不同的变形会对塔产生不同的屈曲。在设计过程中，全塔由468块加筋复合材料板组成，板块间通过复合材料“铆接”，连接形成一个整体，这个板就是用的玻璃钢水箱板。该测试塔是目前国内高冲击电压7500KV试验装置。
很多材料只要把它用好，它一样会发挥可靠的效率。
第四个事例是今年在复合材料展上参展的一个产品，就是可快速搬运拆装、全复合材料重载桥。该桥长8米，由十二块桥片单元通过纵向铰接、横向插接组装而成，可快速人工搬运，并迅速拆、拼装成整体桥。
（1）桥段结构设计：
轴向采用多腔室的箱梁结构提高结构稳定性；横向采用凸凹承插连接提高整体的承载能力及拼装精度；凸凹连接部位设计一定斜度，提高配合精度，便于组合。箱体及肋板采用夹层结构，填充轻质芯材提高刚度，减轻重量。
（2）铰接结构设计：
要解决底下受拉梁的连接，这个角中间要穿一个金属，那么里面一定要埋一个金属的预埋件，这个预埋件埋进去以后，如果在预埋件里想通过碳纤维来传导电的话，碳纤维传统的方法是把它包裹在金属的外面。但是这个包裹的形式实际上并不是一个好的形式。我们做了一些转化，把碳纤维不是这么包裹起来，而碳纤维是利用后面这个金属，我们把碳纤维这样绕过来，绕过来以后是这样的。
（3）静载荷测试：
桥总重小于等于1800kg，通载能力大于等于43000kg，是目前国内座全复合材料铰接结构的重载桥。
后一个是有关测试的东西。
（1）静态风载测试
大型桅杆结构性能测试方法（风速65m/s）：采用集中加载模拟均布载荷。测试是复合材料必要条件里面非常重要的东西。一个产品如果不经过测试的话，实际上是没有办法去说服客户你这个产品行还是不行的。
三点静态加载测试弯矩已经比较接近真实状况，且可很好吻合根部及中间两个连接区域的设计弯矩。
（2）动态等效风载测试
单纯的多点静力加载不能完全模拟真实的使用状况。高速风力使桅杆产生大的垂直风载荷（绕流阻力）和横向振动。
测试方法设计：用水阻力模拟高速风载荷，实现均布，动态加载。将制品固定在拖船上，利用被测试制品与水相对运动产生的水阻力，模拟风载荷的作用。
通过这个测试就验证了我们做的这个天线。
可设计性为复合材料制品的组成、设计与制备，提供了创新空间和自由。
根据产品的特点与要求，充分发挥可设计性，就可以设计、制备出“有个性”的新材料、新结构、新工艺、新制品。
复合材料是“技术和艺术结合，科学与哲学结合”。谢谢！
更多信息请关注复合材料信息网www.cnfrp.com
做复合材料这么多年得出的一个体会，就是我们怎么去看待复合材料，即我们怎么理解复合材料？每个人对复合材料肯定有不同的理解，但是，不同的理解一定会指导你做出不同的产品，我个人觉得复合材料不是一个单独因素影响的或决定的一个制品问题，所以说复合材料既是材料又是结构，它的终目标实际上是制品。那么这个制品它受这四个因素的影响：个就是原材料，第二个就是设计问题，第三个是工艺与设备问题，第四个是测试技术。这四个方面都是复合材料制品中间所必须的，也就是必要条件，但它都不够充分。
那么复合材料是什么呢？复合材料是把这四个方面有机地结合到一起，那么这才是复合材料。为什么做出这样一个模型呢？在学校里面、社会上也经常会有人问到这么一个问题：高分子跟复合材料有什么区别？高分子是我们的原材料。所以，从事复合材料行业的从业人员，不管是从事原材料的，是做产品或者结构设计的，或者是做工艺设备的，不同的点实际都在做复合材料必要的工作，但是我们要把复合材料做好，需要把必要的东西把它有机结合起来，让它充分。所以，复合材料是一个系统的问题，不是某一个单一因素决定的问题。
这也说明，我们有同样的材料，同样的树脂，同样的纤维，为什么我们做出来的复合材料不一样呢？或者说我们有了同样的结构，复合材料又做的不一样；或者说我们有相应的工艺设备，或者双倍的话，复合材料也做的不一样。通过这个模型就可以去理解，因为每一个点它都只是复合材料中的某一部分，而复合材料是把这四个点很好地结合到一起，那么才能做出一个好的复合材料。这就是复合材料要解决的问题是这个系统的匹配问题。
第二个要讲复合材料的特性与创新之间的关系和给我们的启示。复合材料具有可设计性，可以理解为材料、设计、工艺，包括测试方法，它的自由选择性和相互的组合。这种自由的选择实际上就为复合材料和创新提供了一个空间。四个因素相当于我们在玩魔方，我们把它组合在一个变化的空间，那么就可以得到不同的结果。在复合材料里有可设计性，给了我们这个空间、这个自由，在现有基础上，不管是材料上、设计上、结构上、工艺上我们进行一些变化，实际上就可以把创新落实到一个具体的地方，落实到一个具体的产品上去。只要充分发挥设计的关键作用，这个设计不是复合材料里面结构的设计或者产品的设计，而是可设计性中间的设计，把每个人对复合材料的理解运用到具体的实验中就可以创新了。
复合材料的创新可能觉得很难，但是做起来也容易。复合材料的特点给我们创新的启示。
下面我就把科研工作中做的一些实践的东西跟大家进行一下分享。
个就是220KV全复合材料接点桁架塔，即电线杆子。那么复合材料用在这个里面有什么优点？这样复合材料比金属贵多了，要单个来算的话，复合材料肯定是不合算的，但是复合材料有它的优点，优点是什么？就是它可以利用复合材料的绝缘性缩小塔体整个的结构，这个在城市电网改造的过程中有更大的空间，因为城市里拆房子不容易，要扩容的时候因为体积限定了，这是一个；第二个，它可以缩短横断的面积，那么这个时候就可以缩短输电的土地的使用面积，还可以减轻塔的重量。特别是在一些边远或者是在一些高山地区进行安装的时候。但是这个塔要是按照传统金属结构去设计，现在也有很多单位在进行这方面的研究，是把拉挤型材和金属的头直接进行连接。这个过程中，金属头装上去以后，重量没有减；第二金属头若装上，是把绝缘距离大大地缩小，没有起到复合材料绝缘性的特点，也没有利用复合材料减重的特点。实际上做来做去跟原先的、金属的塔重量差不多，体积也差不多，这样就失去了复合材料来做产品的意义。
那么我们怎么去设计？我们就是抓住中间的一个关键点，这个塔体结构关键是结点之间如何去连接来解决这个问题。这个结构给大家看了后实际上很简单，只要充分利用复合材料的特点，把这个特点抓好了。那么这个原料是由拉挤的型材--这个型材是由单独的聚氨酯进行拉挤的，聚氨酯有一些很好的优点。这个型材有强度高、模量高，而且抗开裂强的特点，也可以减少安装人员的工作。在框架外面可以做一个补强的措施，在外面铆上一圈单向布，可以很好地让这个型材发挥拉伸的强度、压缩的强度以及在压缩的时候抗屈曲的特性。这个连接实际上就是用复合材料板把它夹在一起，这个板加的话是正反两面。正反两面的夹板可以让框架结构在受力的过程中间主要把抗扭曲的变化，让它承受的主要是正应力。纤维复合材料里面拉伸强度可以把它的效能发挥到很高的，而在这个连接上面，我们只要把这两个板背着用金属拧紧就会连接起来。这就是整体设计和连接。
这是做一个整体测试。测试为什么是复合材料中的关键因素？不同的测试方法带来的结果是不一样的，会影响对材料的选择。复合材料很多制品都是非典型制品，非典型制品如何去模拟只用在环境中间的那种条件的话，这样是都要重新的测试方法设计的。我们做的这个塔现在在辽宁丹东，它的特点是比同样结构的钢塔减轻了30%的重量，而且它的横断可以缩短60%，能达到预期的效果。
第二个实例是做的天线方位图测试臂。简单一点就是测试天线在电磁波发射过程中的空间方位图。它是什么原理？在一个轴上面有一个固定的臂，这个轴在转动的过程中间，这个臂在空中画圆，就像一个圆规在画一样。
那么一个圆规来画，这么长的臂都有一个挠度，在画圆的过程中间，它就会产生一个不圆度，挠度的问题好解决，可把截面指数做大；不好解决的就是不圆度。这个臂在使用过程中实际上是两个状态，一个状态是在水平状态，也就是说重力产生的弯矩大的状态；第二个转到一定角度，这个时候由于重力产生的弯矩降低了。你就应该设计一个臂，能够随着弯矩的变化而变化，就能够满足不圆的轨迹。我们实际上也是用一个非常简单的办法来解决它。什么办法？就是把臂设计成椭圆形的。椭圆形有一个长轴，有一个短轴。钢度是跟钢度有关的，在弯矩大的时候，长轴是跟弯矩产生重力的方向一致的，转到底部的时候是短轴和它一致。而我们通过这个变化就可以模拟、计算出这个弯矩和这个力的钢度能够校对的基本上一致。这就是我们做的东西。
在做设计时，并不需要做出很复杂的来解决问题，而我们只要把一个事物理解了以后，就能用很简单的办法把问题解决好。
这个测试臂是目前国内精度高的测试臂，通过经纬仪测试，该椭圆截面测试臂在整个运动的过程中顶端不圆度小于等于0.5%，是目前重量轻、精度高的测试臂。
第三是7500KV高压冲击试验塔体设计及测试，该塔体是冲击电压试验装置外保护罩，塔高28m、直径6米。在塔中间不能装任何金属。塔在受重力的时候，塔会产生变形，不同的变形会对塔产生不同的屈曲。在设计过程中，全塔由468块加筋复合材料板组成，板块间通过复合材料“铆接”，连接形成一个整体，这个板就是用的玻璃钢水箱板。该测试塔是目前国内高冲击电压7500KV试验装置。
很多材料只要把它用好，它一样会发挥可靠的效率。
第四个事例是今年在复合材料展上参展的一个产品，就是可快速搬运拆装、全复合材料重载桥。该桥长8米，由十二块桥片单元通过纵向铰接、横向插接组装而成，可快速人工搬运，并迅速拆、拼装成整体桥。
（1）桥段结构设计：
轴向采用多腔室的箱梁结构提高结构稳定性；横向采用凸凹承插连接提高整体的承载能力及拼装精度；凸凹连接部位设计一定斜度，提高配合精度，便于组合。箱体及肋板采用夹层结构，填充轻质芯材提高刚度，减轻重量。
（2）铰接结构设计：
要解决底下受拉梁的连接，这个角中间要穿一个金属，那么里面一定要埋一个金属的预埋件，这个预埋件埋进去以后，如果在预埋件里想通过碳纤维来传导电的话，碳纤维传统的方法是把它包裹在金属的外面。但是这个包裹的形式实际上并不是一个好的形式。我们做了一些转化，把碳纤维不是这么包裹起来，而碳纤维是利用后面这个金属，我们把碳纤维这样绕过来，绕过来以后是这样的。
（3）静载荷测试：
桥总重小于等于1800kg，通载能力大于等于43000kg，是目前国内座全复合材料铰接结构的重载桥。
后一个是有关测试的东西。
（1）静态风载测试
大型桅杆结构性能测试方法（风速65m/s）：采用集中加载模拟均布载荷。测试是复合材料必要条件里面非常重要的东西。一个产品如果不经过测试的话，实际上是没有办法去说服客户你这个产品行还是不行的。
三点静态加载测试弯矩已经比较接近真实状况，且可很好吻合根部及中间两个连接区域的设计弯矩。
（2）动态等效风载测试
单纯的多点静力加载不能完全模拟真实的使用状况。高速风力使桅杆产生大的垂直风载荷（绕流阻力）和横向振动。
测试方法设计：用水阻力模拟高速风载荷，实现均布，动态加载。将制品固定在拖船上，利用被测试制品与水相对运动产生的水阻力，模拟风载荷的作用。
通过这个测试就验证了我们做的这个天线。
可设计性为复合材料制品的组成、设计与制备，提供了创新空间和自由。
根据产品的特点与要求，充分发挥可设计性，就可以设计、制备出“有个性”的新材料、新结构、新工艺、新制品。
复合材料是“技术和艺术结合，科学与哲学结合”。谢谢！
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