復合材料制品創新設計實踐
武漢理工大學是國內辦復合材料專業早、久的大學，在復合材料行業里面從業人員也是大的。在2015年玻璃纖維/復合材料行業年會上，武漢理工大學材料學院教授、 博士生導師王鈞先生介紹了“復合材料制品創新設計實踐”，以下為詳細內容。
做復合材料這么多年得出的一個體會，就是我們怎么去看待復合材料，即我們怎么理解復合材料？每個人對復合材料肯定有不同的理解，但是，不同的理解一定會指導你做出不同的產品，我個人覺得復合材料不是一個單獨因素影響的或決定的一個制品問題，所以說復合材料既是材料又是結構，它的終目標實際上是制品。那么這個制品它受這四個因素的影響：個就是原材料，第二個就是設計問題，第三個是工藝與設備問題，第四個是測試技術。這四個方面都是復合材料制品中間所必須的，也就是必要條件，但它都不夠充分。
那么復合材料是什么呢？復合材料是把這四個方面有機地結合到一起，那么這才是復合材料。為什么做出這樣一個模型呢？在學校里面、社會上也經常會有人問到這么一個問題：高分子跟復合材料有什么區別？高分子是我們的原材料。所以，從事復合材料行業的從業人員，不管是從事原材料的，是做產品或者結構設計的，或者是做工藝設備的，不同的點實際都在做復合材料必要的工作，但是我們要把復合材料做好，需要把必要的東西把它有機結合起來，讓它充分。所以，復合材料是一個系統的問題，不是某一個單一因素決定的問題。
這也說明，我們有同樣的材料，同樣的樹脂，同樣的纖維，為什么我們做出來的復合材料不一樣呢？或者說我們有了同樣的結構，復合材料又做的不一樣；或者說我們有相應的工藝設備，或者雙倍的話，復合材料也做的不一樣。通過這個模型就可以去理解，因為每一個點它都只是復合材料中的某一部分，而復合材料是把這四個點很好地結合到一起，那么才能做出一個好的復合材料。這就是復合材料要解決的問題是這個系統的匹配問題。
第二個要講復合材料的特性與創新之間的關系和給我們的啟示。復合材料具有可設計性，可以理解為材料、設計、工藝，包括測試方法，它的自由選擇性和相互的組合。這種自由的選擇實際上就為復合材料和創新提供了一個空間。四個因素相當于我們在玩魔方，我們把它組合在一個變化的空間，那么就可以得到不同的結果。在復合材料里有可設計性，給了我們這個空間、這個自由，在現有基礎上，不管是材料上、設計上、結構上、工藝上我們進行一些變化，實際上就可以把創新落實到一個具體的地方，落實到一個具體的產品上去。只要充分發揮設計的關鍵作用，這個設計不是復合材料里面結構的設計或者產品的設計，而是可設計性中間的設計，把每個人對復合材料的理解運用到具體的實驗中就可以創新了。
復合材料的創新可能覺得很難，但是做起來也容易。復合材料的特點給我們創新的啟示。
下面我就把科研工作中做的一些實踐的東西跟大家進行一下分享。
個就是220KV全復合材料接點桁架塔，即電線桿子。那么復合材料用在這個里面有什么優點？這樣復合材料比金屬貴多了，要單個來算的話，復合材料肯定是不合算的，但是復合材料有它的優點，優點是什么？就是它可以利用復合材料的絕緣性縮小塔體整個的結構，這個在城市電網改造的過程中有更大的空間，因為城市里拆房子不容易，要擴容的時候因為體積限定了，這是一個；第二個，它可以縮短橫斷的面積，那么這個時候就可以縮短輸電的土地的使用面積，還可以減輕塔的重量。特別是在一些邊遠或者是在一些高山地區進行安裝的時候。但是這個塔要是按照傳統金屬結構去設計，現在也有很多單位在進行這方面的研究，是把拉擠型材和金屬的頭直接進行連接。這個過程中，金屬頭裝上去以后，重量沒有減；第二金屬頭若裝上，是把絕緣距離大大地縮小，沒有起到復合材料絕緣性的特點，也沒有利用復合材料減重的特點。實際上做來做去跟原先的、金屬的塔重量差不多，體積也差不多，這樣就失去了復合材料來做產品的意義。
那么我們怎么去設計？我們就是抓住中間的一個關鍵點，這個塔體結構關鍵是結點之間如何去連接來解決這個問題。這個結構給大家看了后實際上很簡單，只要充分利用復合材料的特點，把這個特點抓好了。那么這個原料是由拉擠的型材--這個型材是由單獨的聚氨酯進行拉擠的，聚氨酯有一些很好的優點。這個型材有強度高、模量高，而且抗開裂強的特點，也可以減少安裝人員的工作。在框架外面可以做一個補強的措施，在外面鉚上一圈單向布，可以很好地讓這個型材發揮拉伸的強度、壓縮的強度以及在壓縮的時候抗屈曲的特性。這個連接實際上就是用復合材料板把它夾在一起，這個板加的話是正反兩面。正反兩面的夾板可以讓框架結構在受力的過程中間主要把抗扭曲的變化，讓它承受的主要是正應力。纖維復合材料里面拉伸強度可以把它的效能發揮到很高的，而在這個連接上面，我們只要把這兩個板背著用金屬擰緊就會連接起來。這就是整體設計和連接。
這是做一個整體測試。測試為什么是復合材料中的關鍵因素？不同的測試方法帶來的結果是不一樣的，會影響對材料的選擇。復合材料很多制品都是非典型制品，非典型制品如何去模擬只用在環境中間的那種條件的話，這樣是都要重新的測試方法設計的。我們做的這個塔現在在遼寧丹東，它的特點是比同樣結構的鋼塔減輕了30%的重量，而且它的橫斷可以縮短60%，能達到預期的效果。
第二個實例是做的天線方位圖測試臂。簡單一點就是測試天線在電磁波發射過程中的空間方位圖。它是什么原理？在一個軸上面有一個固定的臂，這個軸在轉動的過程中間，這個臂在空中畫圓，就像一個圓規在畫一樣。
那么一個圓規來畫，這么長的臂都有一個撓度，在畫圓的過程中間，它就會產生一個不圓度，撓度的問題好解決，可把截面指數做大；不好解決的就是不圓度。這個臂在使用過程中實際上是兩個狀態，一個狀態是在水平狀態，也就是說重力產生的彎矩大的狀態；第二個轉到一定角度，這個時候由于重力產生的彎矩降低了。你就應該設計一個臂，能夠隨著彎矩的變化而變化，就能夠滿足不圓的軌跡。我們實際上也是用一個非常簡單的辦法來解決它。什么辦法？就是把臂設計成橢圓形的。橢圓形有一個長軸，有一個短軸。鋼度是跟鋼度有關的，在彎矩大的時候，長軸是跟彎矩產生重力的方向一致的，轉到底部的時候是短軸和它一致。而我們通過這個變化就可以模擬、計算出這個彎矩和這個力的鋼度能夠校對的基本上一致。這就是我們做的東西。
在做設計時，并不需要做出很復雜的來解決問題，而我們只要把一個事物理解了以后，就能用很簡單的辦法把問題解決好。
這個測試臂是目前國內精度高的測試臂，通過經緯儀測試，該橢圓截面測試臂在整個運動的過程中頂端不圓度小于等于0.5%，是目前重量輕、精度高的測試臂。
第三是7500KV高壓沖擊試驗塔體設計及測試，該塔體是沖擊電壓試驗裝置外保護罩，塔高28m、直徑6米。在塔中間不能裝任何金屬。塔在受重力的時候，塔會產生變形，不同的變形會對塔產生不同的屈曲。在設計過程中，全塔由468塊加筋復合材料板組成，板塊間通過復合材料“鉚接”，連接形成一個整體，這個板就是用的玻璃鋼水箱板。該測試塔是目前國內高沖擊電壓7500KV試驗裝置。
很多材料只要把它用好，它一樣會發揮可靠的效率。
第四個事例是今年在復合材料展上參展的一個產品，就是可快速搬運拆裝、全復合材料重載橋。該橋長8米，由十二塊橋片單元通過縱向鉸接、橫向插接組裝而成，可快速人工搬運，并迅速拆、拼裝成整體橋。
?。?）橋段結構設計：
軸向采用多腔室的箱梁結構提高結構穩定性；橫向采用凸凹承插連接提高整體的承載能力及拼裝精度；凸凹連接部位設計一定斜度，提高配合精度，便于組合。箱體及肋板采用夾層結構，填充輕質芯材提高剛度，減輕重量。
?。?）鉸接結構設計：
要解決底下受拉梁的連接，這個角中間要穿一個金屬，那么里面一定要埋一個金屬的預埋件，這個預埋件埋進去以后，如果在預埋件里想通過碳纖維來傳導電的話，碳纖維傳統的方法是把它包裹在金屬的外面。但是這個包裹的形式實際上并不是一個好的形式。我們做了一些轉化，把碳纖維不是這么包裹起來，而碳纖維是利用后面這個金屬，我們把碳纖維這樣繞過來，繞過來以后是這樣的。
（3）靜載荷測試：
橋總重小于等于1800kg，通載能力大于等于43000kg，是目前國內座全復合材料鉸接結構的重載橋。
后一個是有關測試的東西。
?。?）靜態風載測試
大型桅桿結構性能測試方法（風速65m/s）：采用集中加載模擬均布載荷。測試是復合材料必要條件里面非常重要的東西。一個產品如果不經過測試的話，實際上是沒有辦法去說服客戶你這個產品行還是不行的。
三點靜態加載測試彎矩已經比較接近真實狀況，且可很好吻合根部及中間兩個連接區域的設計彎矩。
?。?）動態等效風載測試
單純的多點靜力加載不能完全模擬真實的使用狀況。高速風力使桅桿產生大的垂直風載荷（繞流阻力）和橫向振動。
測試方法設計：用水阻力模擬高速風載荷，實現均布，動態加載。將制品固定在拖船上，利用被測試制品與水相對運動產生的水阻力，模擬風載荷的作用。
通過這個測試就驗證了我們做的這個天線。
可設計性為復合材料制品的組成、設計與制備，提供了創新空間和自由。
根據產品的特點與要求，充分發揮可設計性，就可以設計、制備出“有個性”的新材料、新結構、新工藝、新制品。
復合材料是“技術和藝術結合，科學與哲學結合”。謝謝！
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做復合材料這么多年得出的一個體會，就是我們怎么去看待復合材料，即我們怎么理解復合材料？每個人對復合材料肯定有不同的理解，但是，不同的理解一定會指導你做出不同的產品，我個人覺得復合材料不是一個單獨因素影響的或決定的一個制品問題，所以說復合材料既是材料又是結構，它的終目標實際上是制品。那么這個制品它受這四個因素的影響：個就是原材料，第二個就是設計問題，第三個是工藝與設備問題，第四個是測試技術。這四個方面都是復合材料制品中間所必須的，也就是必要條件，但它都不夠充分。
那么復合材料是什么呢？復合材料是把這四個方面有機地結合到一起，那么這才是復合材料。為什么做出這樣一個模型呢？在學校里面、社會上也經常會有人問到這么一個問題：高分子跟復合材料有什么區別？高分子是我們的原材料。所以，從事復合材料行業的從業人員，不管是從事原材料的，是做產品或者結構設計的，或者是做工藝設備的，不同的點實際都在做復合材料必要的工作，但是我們要把復合材料做好，需要把必要的東西把它有機結合起來，讓它充分。所以，復合材料是一個系統的問題，不是某一個單一因素決定的問題。
這也說明，我們有同樣的材料，同樣的樹脂，同樣的纖維，為什么我們做出來的復合材料不一樣呢？或者說我們有了同樣的結構，復合材料又做的不一樣；或者說我們有相應的工藝設備，或者雙倍的話，復合材料也做的不一樣。通過這個模型就可以去理解，因為每一個點它都只是復合材料中的某一部分，而復合材料是把這四個點很好地結合到一起，那么才能做出一個好的復合材料。這就是復合材料要解決的問題是這個系統的匹配問題。
第二個要講復合材料的特性與創新之間的關系和給我們的啟示。復合材料具有可設計性，可以理解為材料、設計、工藝，包括測試方法，它的自由選擇性和相互的組合。這種自由的選擇實際上就為復合材料和創新提供了一個空間。四個因素相當于我們在玩魔方，我們把它組合在一個變化的空間，那么就可以得到不同的結果。在復合材料里有可設計性，給了我們這個空間、這個自由，在現有基礎上，不管是材料上、設計上、結構上、工藝上我們進行一些變化，實際上就可以把創新落實到一個具體的地方，落實到一個具體的產品上去。只要充分發揮設計的關鍵作用，這個設計不是復合材料里面結構的設計或者產品的設計，而是可設計性中間的設計，把每個人對復合材料的理解運用到具體的實驗中就可以創新了。
復合材料的創新可能覺得很難，但是做起來也容易。復合材料的特點給我們創新的啟示。
下面我就把科研工作中做的一些實踐的東西跟大家進行一下分享。
個就是220KV全復合材料接點桁架塔，即電線桿子。那么復合材料用在這個里面有什么優點？這樣復合材料比金屬貴多了，要單個來算的話，復合材料肯定是不合算的，但是復合材料有它的優點，優點是什么？就是它可以利用復合材料的絕緣性縮小塔體整個的結構，這個在城市電網改造的過程中有更大的空間，因為城市里拆房子不容易，要擴容的時候因為體積限定了，這是一個；第二個，它可以縮短橫斷的面積，那么這個時候就可以縮短輸電的土地的使用面積，還可以減輕塔的重量。特別是在一些邊遠或者是在一些高山地區進行安裝的時候。但是這個塔要是按照傳統金屬結構去設計，現在也有很多單位在進行這方面的研究，是把拉擠型材和金屬的頭直接進行連接。這個過程中，金屬頭裝上去以后，重量沒有減；第二金屬頭若裝上，是把絕緣距離大大地縮小，沒有起到復合材料絕緣性的特點，也沒有利用復合材料減重的特點。實際上做來做去跟原先的、金屬的塔重量差不多，體積也差不多，這樣就失去了復合材料來做產品的意義。
那么我們怎么去設計？我們就是抓住中間的一個關鍵點，這個塔體結構關鍵是結點之間如何去連接來解決這個問題。這個結構給大家看了后實際上很簡單，只要充分利用復合材料的特點，把這個特點抓好了。那么這個原料是由拉擠的型材--這個型材是由單獨的聚氨酯進行拉擠的，聚氨酯有一些很好的優點。這個型材有強度高、模量高，而且抗開裂強的特點，也可以減少安裝人員的工作。在框架外面可以做一個補強的措施，在外面鉚上一圈單向布，可以很好地讓這個型材發揮拉伸的強度、壓縮的強度以及在壓縮的時候抗屈曲的特性。這個連接實際上就是用復合材料板把它夾在一起，這個板加的話是正反兩面。正反兩面的夾板可以讓框架結構在受力的過程中間主要把抗扭曲的變化，讓它承受的主要是正應力。纖維復合材料里面拉伸強度可以把它的效能發揮到很高的，而在這個連接上面，我們只要把這兩個板背著用金屬擰緊就會連接起來。這就是整體設計和連接。
這是做一個整體測試。測試為什么是復合材料中的關鍵因素？不同的測試方法帶來的結果是不一樣的，會影響對材料的選擇。復合材料很多制品都是非典型制品，非典型制品如何去模擬只用在環境中間的那種條件的話，這樣是都要重新的測試方法設計的。我們做的這個塔現在在遼寧丹東，它的特點是比同樣結構的鋼塔減輕了30%的重量，而且它的橫斷可以縮短60%，能達到預期的效果。
第二個實例是做的天線方位圖測試臂。簡單一點就是測試天線在電磁波發射過程中的空間方位圖。它是什么原理？在一個軸上面有一個固定的臂，這個軸在轉動的過程中間，這個臂在空中畫圓，就像一個圓規在畫一樣。
那么一個圓規來畫，這么長的臂都有一個撓度，在畫圓的過程中間，它就會產生一個不圓度，撓度的問題好解決，可把截面指數做大；不好解決的就是不圓度。這個臂在使用過程中實際上是兩個狀態，一個狀態是在水平狀態，也就是說重力產生的彎矩大的狀態；第二個轉到一定角度，這個時候由于重力產生的彎矩降低了。你就應該設計一個臂，能夠隨著彎矩的變化而變化，就能夠滿足不圓的軌跡。我們實際上也是用一個非常簡單的辦法來解決它。什么辦法？就是把臂設計成橢圓形的。橢圓形有一個長軸，有一個短軸。鋼度是跟鋼度有關的，在彎矩大的時候，長軸是跟彎矩產生重力的方向一致的，轉到底部的時候是短軸和它一致。而我們通過這個變化就可以模擬、計算出這個彎矩和這個力的鋼度能夠校對的基本上一致。這就是我們做的東西。
在做設計時，并不需要做出很復雜的來解決問題，而我們只要把一個事物理解了以后，就能用很簡單的辦法把問題解決好。
這個測試臂是目前國內精度高的測試臂，通過經緯儀測試，該橢圓截面測試臂在整個運動的過程中頂端不圓度小于等于0.5%，是目前重量輕、精度高的測試臂。
第三是7500KV高壓沖擊試驗塔體設計及測試，該塔體是沖擊電壓試驗裝置外保護罩，塔高28m、直徑6米。在塔中間不能裝任何金屬。塔在受重力的時候，塔會產生變形，不同的變形會對塔產生不同的屈曲。在設計過程中，全塔由468塊加筋復合材料板組成，板塊間通過復合材料“鉚接”，連接形成一個整體，這個板就是用的玻璃鋼水箱板。該測試塔是目前國內高沖擊電壓7500KV試驗裝置。
很多材料只要把它用好，它一樣會發揮可靠的效率。
第四個事例是今年在復合材料展上參展的一個產品，就是可快速搬運拆裝、全復合材料重載橋。該橋長8米，由十二塊橋片單元通過縱向鉸接、橫向插接組裝而成，可快速人工搬運，并迅速拆、拼裝成整體橋。
?。?）橋段結構設計：
軸向采用多腔室的箱梁結構提高結構穩定性；橫向采用凸凹承插連接提高整體的承載能力及拼裝精度；凸凹連接部位設計一定斜度，提高配合精度，便于組合。箱體及肋板采用夾層結構，填充輕質芯材提高剛度，減輕重量。
?。?）鉸接結構設計：
要解決底下受拉梁的連接，這個角中間要穿一個金屬，那么里面一定要埋一個金屬的預埋件，這個預埋件埋進去以后，如果在預埋件里想通過碳纖維來傳導電的話，碳纖維傳統的方法是把它包裹在金屬的外面。但是這個包裹的形式實際上并不是一個好的形式。我們做了一些轉化，把碳纖維不是這么包裹起來，而碳纖維是利用后面這個金屬，我們把碳纖維這樣繞過來，繞過來以后是這樣的。
（3）靜載荷測試：
橋總重小于等于1800kg，通載能力大于等于43000kg，是目前國內座全復合材料鉸接結構的重載橋。
后一個是有關測試的東西。
?。?）靜態風載測試
大型桅桿結構性能測試方法（風速65m/s）：采用集中加載模擬均布載荷。測試是復合材料必要條件里面非常重要的東西。一個產品如果不經過測試的話，實際上是沒有辦法去說服客戶你這個產品行還是不行的。
三點靜態加載測試彎矩已經比較接近真實狀況，且可很好吻合根部及中間兩個連接區域的設計彎矩。
?。?）動態等效風載測試
單純的多點靜力加載不能完全模擬真實的使用狀況。高速風力使桅桿產生大的垂直風載荷（繞流阻力）和橫向振動。
測試方法設計：用水阻力模擬高速風載荷，實現均布，動態加載。將制品固定在拖船上，利用被測試制品與水相對運動產生的水阻力，模擬風載荷的作用。
通過這個測試就驗證了我們做的這個天線。
可設計性為復合材料制品的組成、設計與制備，提供了創新空間和自由。
根據產品的特點與要求，充分發揮可設計性，就可以設計、制備出“有個性”的新材料、新結構、新工藝、新制品。
復合材料是“技術和藝術結合，科學與哲學結合”。謝謝！
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