复合材料制品创新设计及实践探索
摘 要：本文归纳了决定复合材料及制品性能的四个组成要素：即原辅材料、设计与结构、工艺与设备、测试技术，分析了各要素所起的作用，以及各要素相互结合与变化所蕴含的创新方法。结合复合材料制品的设计、制备和测试实例，介绍了如何将这种变化运用到具体实践过程中，并总结出复合材料是将“技术与艺术、科学与哲学”相结合的感悟。
关键词：复合材料；产品设计；结构设计
前言
复合材料是由两种或两种以上不同材料或形态，经过相应的成型工艺方法制备而成，具有原组成材料所不具备的性能、各向异性的多相材料。复合材料具有材料性能、结构及制品同时形成的特点，它既是一种材料、更是一种结构及制品，终的目标就是制品。笔者将从聚合物基复合材料的构成和相互关系，结合复合材料可设计性的特点，介绍了复合材料制品设计与制备过程中的创新实践。
1 聚合物基复合材料构成、特点与创新
聚合物基复合材料是以聚合物为基体，纤维或其它增强材料为增强体制备而成的一类新材料，它是目前应用广泛、用量大的一类复合材料，被广泛应用在国防、国民经济建设等各个领域。
1.1 聚合物基复合材料的构成及相互关系
决定复合材料及制品性能的四个组成要素：原辅材料、设计与结构、工艺与设备、测试技术，四要素之间不是递进关系，而是各自独立，又相互联系、相互制约的平行关系。这四个部分各自的作用可以归纳为：材料是基础；设计是关键；工艺是手段；测试是保障，其共同作用的结果或目的是复合材料制品，任何一个要素的变化都会带来终结果的改变。各组成要素与复合材料制品的关系如图1所示。
图1 复合材料制品四要素的相互关系
复合材料是以产品为终目标的一类材料，复合材料产品需要通过选材、设计、成型、检测四个方面的共同协调来实现，这四个影响因素的平衡发挥，决定复合材料制品所能发挥的效能。
复合材料既是材料、又是结构和制品，原辅材料是复合材料制品的基本组成部分，是复合材料及制品性能的基础；设计与结构决定着复合材料制品性能的优劣，设计的本质是设计者能将自己对原辅材料、成型方法很好的融入到复合材料制品中，是复合材料及制品的关键；工艺方法及设备是将原材料按照设计思想转变为产品的过程，是连接原辅材料、结构设计成为复合材料及制品的桥梁，成型工艺方法决定原辅材料、结构在复合材料及制品中性能的发挥；测试方法是评价材料、结构、制品是否满足技术要求的保障。
1.2 聚合物基复合材料的特点与启示
聚合物基复合材料可以通过上述四个影响因素的变化，制备出不同的复合材料制品，这也是复合材料大的特点--可设计性。这种可设计性主要表现为：原辅材料的多样性、组成结构的变化性、成型方法的选择性、测试技术的对应性。可设计性为复合材料提供了选择自由，这种自由选择为复合材料制品提供了创新的空间。
2 复合材料制品设计创新及实践
在设计和制备复合材料制品时，可以通过四个影响因素的组合和变化，运用科学思维、合理方法来提高材料与结构的使用效能，从而完成新产品的开发。
2.1 220kV全复合材料接点桁架塔
传统的高压输电杆塔普遍采用钢架结构如图2所示，自重高、不耐腐蚀，且由于钢材自身的导电性，需要较大的绝缘间距。与之相比，复合材料桁架塔具有以下优点：可以利用复合材料的比强度高、绝缘性好，耐腐蚀等，达到缩小塔体结构、缩短横担长度，减少输电走廊土地面积，减轻塔重，延长维护周期。
图2 金属桁架结构高压输电杆塔
全复合材料接点桁架塔，塔体结构与接点连接可靠性是成败的关键。
2.1.1 整体结构设计
复合材料桁架塔外形如图3所示，将聚氨酯拉挤复合材料型材制备成所需的框架，采用双面复合材料夹板，通过金属螺丝夹持连接成一个整体。
图3 复合材料桁架塔结构示意图
图4 复合材料拉挤型材、预成型框架及其连接板
（a）拉挤型材、（b）预制成型框架、（c）复合材料连接夹板及连接
2.1.2 连接结构设计
由矩形截面型材组成的三角结构框架，同拉挤管主材组成的垂直立柱的连接如图5所示，可以看到，内外连接板与结构框架通过螺栓连接，同时内外连接板同主材立柱形成大面积的包覆夹持连接，通过内外夹板将主材立柱与结构框架连接为整体结构。实际的产品连接结构如图6所示。
图5 框架结构与立柱管材的夹板包覆夹持连接结构示意图
图6 框架结构与立柱管材实际产品连接局部照片
2.1.3 连接件及结构强度测试
连接板螺栓连接结构单元试样力学性能测试如图7所示；复合材料桁架塔整体性能测试如图8所示。
图7 连接板螺栓连接结构单元拉伸测试
(a)连续加载测试，(b)10mm试样和15mm试样加载后板材的形貌
图8 复合材料桁架塔加载试验
该产品已在辽宁丹东220KV高电压等级输电线路挂线运行，如图9所示，重量比同尺寸钢结构塔减轻30%。
图9 复合材料桁架塔挂线运行照片
2.2 电磁波场强方位图测试臂
2.2.1 工作状况及要求
该测试臂长度为23m，在工作过程中，顶端运动需要为一个圆形轨迹，如图10所示。
图10 测试臂的运动轨迹示意图
2.2.2 方案设计
该测试臂在运动的过程中，由于自身重力产生的弯矩在逐渐变小，如果采用等刚度设计，测试臂将会因弯矩降低导致顶端的挠度减小，这一变化会对顶端的运动轨迹产生波动，所以笔者指导的团队设计了椭圆截面的锥杆结构，如图11所示。测试臂的刚度可以随着弯矩的变化同步发生变化，使顶端的挠度变化降到较低的水平，避免对顶端运动轨迹发生波动。
图11 椭圆截面结构弯矩和截面惯性矩变化示意图
2.2.3 方案对比
将设计为椭圆截面锥杆方案的测试臂与传统设计的三角锥桁架方案进行对比，技术参数如表1所示，可以看到，椭圆锥杆方案得到的产品底径小，自重轻，顶端的轨迹精确度高。
表1 不同方案的天线方位测试臂技术参数对比
图12 复合材料方位图测试臂的实际工作照片
实际的产品如图12所示，通过经纬仪测试其空中运行轨迹。该椭圆截面测试臂在整个运动的过程中，顶端运动轨迹的不圆度≤0.2%，是目前重量轻、精度高的测试臂。
2.3 可快速搬运拆装、全复合材料重载桥
在紧急路面工程抢修，运输线快速恢复等应用领域，需要使用能快速拆装的临时桥梁结构。笔者团队设计的轻质复合材料桥长8m，由十二块桥片单元，通过纵向铰接、横向插接组装而成，如图13和图14所示；可快速人工搬运，并迅速拆、拼装成整体桥。
图13 可拆卸复合材料桥梁结构示意图
图14 可拆卸复合材料桥梁装配照片
2.3.1 桥段结构设计
如图15和图16所示，桥梁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，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，凸凹连接部位设计一定斜度，提高配合精度、便于组合。
图15 复合材料桥梁多腔室的箱梁结构示意图
图16 复合材料桥梁截面凹凸配合示意图
2.3.2 铰接结构设计
由于铰接结构处存在巨大的局部应力，并需要很高的配合精度，因此铰接接头采用金属接头来实现复合材料桥片间的对接。如图17(a)所示，对于固定形态的金属接头，接头的角度对接头与玻璃钢部件间的劈裂力影响显着，接头角度越小，相同载荷下的劈裂力降低，但接头部分的质量将会显着增加。在控制劈裂力的同时，接头也要考虑减重设计，实际的设计方案如图17(b)所示，实际的铰接接头照片和配合工作照片如图18所示。
图17 玻璃钢桥片金属接头结构示意图
表2 金属接头夹角与劈裂力及质量增加比例
图18 金属接头照片和实际铰接配合照片
2.3.3 静载荷测试
静态载荷试验如图19所示，(a)铰接桥片单元承载能力测试；(b)组合桥静态承载能力测试。
图19 复合材料桥梁静载实验：(a)四点弯曲测试；(b)静态加载测试
2.3.4 动载荷测试
如图20所示分别为轮式动态载荷和履带式动态载荷。
图20 复合材料桥梁的动载荷测试：(a)轮式动载测试；(b)履带式动载测试
总结
复合材料及制品是由原辅材料、结构设计、成型工艺以及测试技术四个要素构成的相互联系、相互制约、共同作用的有机整体，各要素间的平衡是复合材料的追求。
复合材料的可设计性为复合材料制品的组成、设计与制备，提供了选择的空间和自由，根据产品的特点与要求，充分发挥可设计性，我们就能研制出“有个性”的新材料、新结构、新工艺、新制品。
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关键词：复合材料；产品设计；结构设计
前言
复合材料是由两种或两种以上不同材料或形态，经过相应的成型工艺方法制备而成，具有原组成材料所不具备的性能、各向异性的多相材料。复合材料具有材料性能、结构及制品同时形成的特点，它既是一种材料、更是一种结构及制品，终的目标就是制品。笔者将从聚合物基复合材料的构成和相互关系，结合复合材料可设计性的特点，介绍了复合材料制品设计与制备过程中的创新实践。
1 聚合物基复合材料构成、特点与创新
聚合物基复合材料是以聚合物为基体，纤维或其它增强材料为增强体制备而成的一类新材料，它是目前应用广泛、用量大的一类复合材料，被广泛应用在国防、国民经济建设等各个领域。
1.1 聚合物基复合材料的构成及相互关系
决定复合材料及制品性能的四个组成要素：原辅材料、设计与结构、工艺与设备、测试技术，四要素之间不是递进关系，而是各自独立，又相互联系、相互制约的平行关系。这四个部分各自的作用可以归纳为：材料是基础；设计是关键；工艺是手段；测试是保障，其共同作用的结果或目的是复合材料制品，任何一个要素的变化都会带来终结果的改变。各组成要素与复合材料制品的关系如图1所示。
图1 复合材料制品四要素的相互关系
复合材料是以产品为终目标的一类材料，复合材料产品需要通过选材、设计、成型、检测四个方面的共同协调来实现，这四个影响因素的平衡发挥，决定复合材料制品所能发挥的效能。
复合材料既是材料、又是结构和制品，原辅材料是复合材料制品的基本组成部分，是复合材料及制品性能的基础；设计与结构决定着复合材料制品性能的优劣，设计的本质是设计者能将自己对原辅材料、成型方法很好的融入到复合材料制品中，是复合材料及制品的关键；工艺方法及设备是将原材料按照设计思想转变为产品的过程，是连接原辅材料、结构设计成为复合材料及制品的桥梁，成型工艺方法决定原辅材料、结构在复合材料及制品中性能的发挥；测试方法是评价材料、结构、制品是否满足技术要求的保障。
1.2 聚合物基复合材料的特点与启示
聚合物基复合材料可以通过上述四个影响因素的变化，制备出不同的复合材料制品，这也是复合材料大的特点--可设计性。这种可设计性主要表现为：原辅材料的多样性、组成结构的变化性、成型方法的选择性、测试技术的对应性。可设计性为复合材料提供了选择自由，这种自由选择为复合材料制品提供了创新的空间。
2 复合材料制品设计创新及实践
在设计和制备复合材料制品时，可以通过四个影响因素的组合和变化，运用科学思维、合理方法来提高材料与结构的使用效能，从而完成新产品的开发。
2.1 220kV全复合材料接点桁架塔
传统的高压输电杆塔普遍采用钢架结构如图2所示，自重高、不耐腐蚀，且由于钢材自身的导电性，需要较大的绝缘间距。与之相比，复合材料桁架塔具有以下优点：可以利用复合材料的比强度高、绝缘性好，耐腐蚀等，达到缩小塔体结构、缩短横担长度，减少输电走廊土地面积，减轻塔重，延长维护周期。
图2 金属桁架结构高压输电杆塔
全复合材料接点桁架塔，塔体结构与接点连接可靠性是成败的关键。
2.1.1 整体结构设计
复合材料桁架塔外形如图3所示，将聚氨酯拉挤复合材料型材制备成所需的框架，采用双面复合材料夹板，通过金属螺丝夹持连接成一个整体。
图3 复合材料桁架塔结构示意图
图4 复合材料拉挤型材、预成型框架及其连接板
（a）拉挤型材、（b）预制成型框架、（c）复合材料连接夹板及连接
2.1.2 连接结构设计
由矩形截面型材组成的三角结构框架，同拉挤管主材组成的垂直立柱的连接如图5所示，可以看到，内外连接板与结构框架通过螺栓连接，同时内外连接板同主材立柱形成大面积的包覆夹持连接，通过内外夹板将主材立柱与结构框架连接为整体结构。实际的产品连接结构如图6所示。
图5 框架结构与立柱管材的夹板包覆夹持连接结构示意图
图6 框架结构与立柱管材实际产品连接局部照片
2.1.3 连接件及结构强度测试
连接板螺栓连接结构单元试样力学性能测试如图7所示；复合材料桁架塔整体性能测试如图8所示。
图7 连接板螺栓连接结构单元拉伸测试
(a)连续加载测试，(b)10mm试样和15mm试样加载后板材的形貌
图8 复合材料桁架塔加载试验
该产品已在辽宁丹东220KV高电压等级输电线路挂线运行，如图9所示，重量比同尺寸钢结构塔减轻30%。
图9 复合材料桁架塔挂线运行照片
2.2 电磁波场强方位图测试臂
2.2.1 工作状况及要求
该测试臂长度为23m，在工作过程中，顶端运动需要为一个圆形轨迹，如图10所示。
图10 测试臂的运动轨迹示意图
2.2.2 方案设计
该测试臂在运动的过程中，由于自身重力产生的弯矩在逐渐变小，如果采用等刚度设计，测试臂将会因弯矩降低导致顶端的挠度减小，这一变化会对顶端的运动轨迹产生波动，所以笔者指导的团队设计了椭圆截面的锥杆结构，如图11所示。测试臂的刚度可以随着弯矩的变化同步发生变化，使顶端的挠度变化降到较低的水平，避免对顶端运动轨迹发生波动。
图11 椭圆截面结构弯矩和截面惯性矩变化示意图
2.2.3 方案对比
将设计为椭圆截面锥杆方案的测试臂与传统设计的三角锥桁架方案进行对比，技术参数如表1所示，可以看到，椭圆锥杆方案得到的产品底径小，自重轻，顶端的轨迹精确度高。
表1 不同方案的天线方位测试臂技术参数对比
图12 复合材料方位图测试臂的实际工作照片
实际的产品如图12所示，通过经纬仪测试其空中运行轨迹。该椭圆截面测试臂在整个运动的过程中，顶端运动轨迹的不圆度≤0.2%，是目前重量轻、精度高的测试臂。
2.3 可快速搬运拆装、全复合材料重载桥
在紧急路面工程抢修，运输线快速恢复等应用领域，需要使用能快速拆装的临时桥梁结构。笔者团队设计的轻质复合材料桥长8m，由十二块桥片单元，通过纵向铰接、横向插接组装而成，如图13和图14所示；可快速人工搬运，并迅速拆、拼装成整体桥。
图13 可拆卸复合材料桥梁结构示意图
图14 可拆卸复合材料桥梁装配照片
2.3.1 桥段结构设计
如图15和图16所示，桥梁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，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，凸凹连接部位设计一定斜度，提高配合精度、便于组合。
图15 复合材料桥梁多腔室的箱梁结构示意图
图16 复合材料桥梁截面凹凸配合示意图
2.3.2 铰接结构设计
由于铰接结构处存在巨大的局部应力，并需要很高的配合精度，因此铰接接头采用金属接头来实现复合材料桥片间的对接。如图17(a)所示，对于固定形态的金属接头，接头的角度对接头与玻璃钢部件间的劈裂力影响显着，接头角度越小，相同载荷下的劈裂力降低，但接头部分的质量将会显着增加。在控制劈裂力的同时，接头也要考虑减重设计，实际的设计方案如图17(b)所示，实际的铰接接头照片和配合工作照片如图18所示。
图17 玻璃钢桥片金属接头结构示意图
表2 金属接头夹角与劈裂力及质量增加比例
图18 金属接头照片和实际铰接配合照片
2.3.3 静载荷测试
静态载荷试验如图19所示，(a)铰接桥片单元承载能力测试；(b)组合桥静态承载能力测试。
图19 复合材料桥梁静载实验：(a)四点弯曲测试；(b)静态加载测试
2.3.4 动载荷测试
如图20所示分别为轮式动态载荷和履带式动态载荷。
图20 复合材料桥梁的动载荷测试：(a)轮式动载测试；(b)履带式动载测试
总结
复合材料及制品是由原辅材料、结构设计、成型工艺以及测试技术四个要素构成的相互联系、相互制约、共同作用的有机整体，各要素间的平衡是复合材料的追求。
复合材料的可设计性为复合材料制品的组成、设计与制备，提供了选择的空间和自由，根据产品的特点与要求，充分发挥可设计性，我们就能研制出“有个性”的新材料、新结构、新工艺、新制品。
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