第３期 ２０１１年９月 纤维复合材料 ＦＩＢＥＲ ＣｏＭＰｏＳＩＴＥＳ ＮＯ．３ ７ Ｓｅｐ．，２０１１ 基于ＣＡＴＩＡ的复合材料结构优化设计 陈家正 ，高禹 ，张振龙 （１．哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨１５００３６）（２．空军驻长春地区军事代表室，长春１３００１２） 摘要简述了ＣＡＴＩＡ软件在复合材料结构设计中的应用，利用ＣＡＴＩＡ设计软件中的Ｃｏｍｐｏｓｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ（复合材料 设计）和Ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ（有限元结构分析）模块对复合材料方形盖体进行三维实体结构设计与力学分 析。通过计算得出了方形盖体的工艺角 ＝１４。时，方形盖体的密封面变形最小，优化了方形盖体的结构，利用 ＣＡＴＩＡ中的Ｃｏｒｅ＆Ｃａｖｉｔｙ Ｄｅｓｉｇｎ（阴阳模设计）模块设计出复合材料方形盖体的阴阳模。 关键词复合材料；ＣＡＴＩＡ有限元分析；结构优化设计；阴阳模设计 ＣＡＴＩＡ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ ＣＨＥＮ Ｊｉａｚｈｅｎｇ ，ＧＡ０ Ｙｕ ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎｌｏｎｇ （１．Ｈａｒｂｉｎ ＦＲＰ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈａｒｂｉｎ １５００３６，Ｃｈｉｎａ） （２．Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ａｆｆａｉｒｓ Ｄｅｐｕｔｙ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ ＰＬＡ Ａｉｒｆｏｒｃｅ ｉｎ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｎａ） ＡＢＳＴＲＡＣＴ ＣＡＴＩＡ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｉｎｇ ＣＡＴＩＡ Ｃｏｍｐｏｓｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｅｓｉｇｎ）ａｎｄ Ｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓ－ ｉｔｅ ｓｑｕａｒｅ ｃｏｖｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ３ Ｄ ｅｎｔｉｔｙ ｂｏｄｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｇｌｅ ｆｏｒ ｃｏｖｅｒ ｂｏｄｙ １４。，ｓｑｕａｒｅ ｃｏｖｅｒ ｓｅａｌｉｎｇ ｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｄｙ ｍｉｎｉｍｕｍ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｑｕａｒｅ ｃｏｖｅｒ ｂｏｄｙ，ｕｓｅ ｔｈｅ ＣＡＴＩＡ Ｃｏｒｅ＆Ｃａｖｉｔｙ Ｄｅｓｉｇｎ（ｃａｖｉｔｙ ｂｌｏｃｋ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｐｉｓｔｏｎ ｄｅｓｉｇｎ）ｍｏｄｕｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ａ ｃｏｍ－ ｐｏｓｉｔｅ ｃｏｖｅｒ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｂｏｄｙ ｓｑｕａｒｅ ｃａｖｉｔｙ ｂｌｏｃｋ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｐｉｓｔｏｎ． ＫＥＹＷＯＲＤＳ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃａｔｉａ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｍｏｌｄ ｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｒｅ＆ｃａｖｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ １ 引言 ＣＡＴＩＡ最早由法国达索飞机公司研制，后来属 于ＩＢＭ公司，是一个高档ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ系统。广 泛用于航空航天、汽车、模具等领域。ＣＡＴＩＡ可在 设计阶段分析零件在特定工况下内部的受力状态。 利用该功能，在满足零件设计要求的基础上，可以充 分优化零件的设计。根据其提供的３Ｄ线架，用户 可以精确地建立、修改与分析３Ｄ几何模型。其曲 面造型功能包含了高级曲面设计和自由外形设计， 用于处理复杂的曲线和曲面定义，并有许多自动化 功能。ＣＡＴＩＡ提供的装配设计模块可以建立并管 理基于３Ｄ的零件和约束的机械装配件，自动地对 零件问的连接进行定义，便于对运动机构进行早期 分析，大大加速了装配件的设计，后续应用则可利用 此模型进行进一步的设计、分析和制造。ＣＡＴＩＡ中 的有限元分析程序，可以进行应变、应及位移分析。 该软件的后处理程序支持铣床、车床和多轴加工。 本文利用ＣＡＴＩＡ设计软件对某复合材料模压 方形盖体进行结构优化设计及模具设计。图１为某 复合材料方形盖体的结构示意图，该复合材料方形 盖体形状复杂，要求将ａ、ｂ、ｃ三点固定，内部承受特 定压力的情况下，工艺角Ｏｔ取何值时密封面的变形 最小。 ２结构优化设计 ２．１ 建模 根据图１所示的结构，利用ＣＡＴＩＡ设计软件中 的零部件设计模块建立三维实体模型（图２）。 ２．２定义材料属性 利用ＣＡＴＩＡ设计软件中的Ｃｏｍｐｏｓｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ（复 合材料设计）模块定义复合材料方形盖体的材料属 性，材料为ＧＬＡＳＳ，将材料参数输入Ｃｏｍｐｏｓｉｔｓ Ｐａ— ｒａｍｅｔｅｒ（复合材料属性对话框）中。如图３所示，在 对话框内定义４行材料参数值，分别为（０，０）、（４５， ４５）、（一４５，一４５）、（９Ｏ，
复合材料结构力学
复合材料结构力学是指在复合材料结构中，力学特性与工程设计的关系。复合材料结构力学的主要任务是分析和设计具有优良性能的复合材料结构，使结构具有较高的强度、刚度和耐久性。
复合材料结构力学所涉及的主要内容包括复合材料的应力分析、弹性、蠕变和疲劳特性分析、裂纹扩展和断裂特性分析等。这些分析都是用来评估复合材料结构的力学性能，以确定最佳的材料组合和结构设计。
因为复合材料的性质和结构相对比较复杂，所以在复合材料结构力学的分析中，需要运用材料力学、结构力学、断裂力学、热力学等相关学科的知识。同时，因为复合材料结构的制造过程也是非常重要的，因此需要运用相关的制造技术来考虑制造工艺对复合材料结构力学性能的影响。
总之，复合材料结构力学在设计和制造高强度、高性能的复合材料结构中起着至关重要的作用，同时也是未来材料研究的重要发展方向之一。
第２２卷第５期 ２００６年９月 森林工程 ＦＯＲＥＳＴ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．２２ Ｎｏ．５ Ｓｅｐ．，２００６
铁路轨枕复合材料结构设计
肖生苓，陈玉霄 （东北林业大学，哈尔滨１５００４０） 摘要：在对铁路轨枕复合材料的复合特性、结构设计原则和加工工艺要求等研究的基础上，设计了４种 铁路轨枕复合材料结构方案。其中层套式结构设计采用材料性能与成本层次递进的设计方法，在保证轨枕复合 材料性能的同时，最大限度地降低了制品成本。 关键词：铁路轨枕；复合材料；结构设计；层套式 中图分类号：Ｕ２１３．３；Ｕ２１４ ９９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０ｏｌ一００５Ｘ￣２００６）０５—００４８—０３ Ｃｏｎｋｎｔ￣ｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｉｅｅｐｅｒ／Ｘｉａｏ Ｓｈｅｎｇｌｉｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｙｕｘｉａｏ（Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０Ｏ４Ｏ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｕｒ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｌ：ｏｓｉｔｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．ｓｔｒｕｃ— ｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｒａｉｌｗａｙ ｓｌｅｅｐｅｒ ｃｏｍｌｘ￣ｉｔｅｓ、Ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅｓ，ｔｈｅ ｌａｙｅｒ ｊａｃｋｅｔ— ｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｓｔ ｌａｙｅｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．ｗｈｉｃｈ ｅｎｓｕｒｅｓ ｔｈｅ ｐｅｌｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｒａｉｌｗａｙ ｓｌｅｅｐｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈｅｓｔ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｉｌｗａｙ ｓｌｅｐｅｒ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ；ｌａｙｅｒｊａｅｋｅｔｅｄ ｔｙｐｅ １复合材料的复合特性 复合材料的主要特点之一是不仅保持其原组分 的部分优点，而且具有原组分不具备的特性。 １．１可设计性 复合材料区别于单一材料的一个显著特征是材 料的可设计性 ｊ。传统的单一材料，如木材、金 属、玻璃、陶瓷、塑料等只能被选用，而不能被设 计（指宏观材料设计，不含分子设计）。由于复合 材料的多相特性，其整体特性受单一原料的特性、 原材料含量及几何形态、复合方式及工艺、界面状 况及复合程度等一系列因素影响。各种原材料都有 各自的优点和缺点，因此，复合材料在组合上将出 现不同的复合结果，如图１所示。 组合Ｉ保持了原组分Ａ和组分Ｂ中的优点， 是最佳组合；组合Ⅱ保持了组分Ａ的优点及组分Ｂ 的缺点，其整体性能比组合１次之；组合Ⅲ保持了 材料Ａ的部分缺点和材料Ｂ的部分优点，其整体 性能比组合Ⅱ次之；组合Ⅳ只保持了组分Ａ和组 分Ｂ中的部分缺点，是最差组合。因而，复合材 料必须通过对组分的选择、各组分分布设计和工艺
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复合材料与飞机结构
作者：黄俊
来源：《科学与财富》2012年第07期
復合材料占飞机整体材料的百分比已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一；复合材料的设计、一体成型技术不断发展，复杂曲面构件成型日趋成熟；各航空公司及维修单位对复合材料的维护及修复工艺不断加强，成为复合材料在飞机上应用的有力保障
一、概述
复合材料是由两种或两种以上的保留其物理和化学特性的材料组成的一种新的多相材料，各组分材料之间有明显的界面。当外力加在复合材料上时，该组合将互相作用。复合材料可以表现出各组成材料单独没有的特性。飞机上典型的复合材料一般由蜂窝、纤维和集体材料组成，其主要应用有：
－ 飞行控制舵面
－ 起落架舱门
－ 机翼和安定面的前后缘面板
－ 内舱设备
－ 飞机尾部和客舱地板梁
－ 机翼、机身和飞机尾部
二、飞机复合材料的发展
1930年代，复合材料初露端倪，随着玻璃纤维的发展，出现了凯夫拉纤维和碳纤维。但由于设计及制造的成本问题，复合材料市场一度低靡。随着数字设计、一体成型技术的发展，复合材料在飞机结构上的使用获得高速发展。
随着在波音707飞机的机翼两端，雷达罩和尾锥上使用新型的玻璃纤维增强体复合材料结构，标志着复合材料在飞机设计中再次应用的开始。在这些部件的成功应用使以后的新型号飞机上增加了复合材料的应用。波音747飞机上超过一万平方英尺的区域使用了玻璃纤维复合材料结构。波音777飞机上，已在飞机尾部、地板梁和襟翼上使用碳纤维的复合材料作为主要结构。在过去的数十年中，波音和空客已经投入数十亿美元到新材料的研究和开发中。这也使波音和空客有能力在787、A380飞机上使用先进复合材料作为飞机主要结构的材料。 龙源期刊网
