復合材料共享數(shù)據庫教學PPT.ppt

復合材料共享數(shù)據庫,沈 真 史有好 李國明 （江蘇恒神纖維材料有限公司） sampe中國2011 天津 2011年10月26-28日,江蘇恒神纖維材料有限公司,2007年8月注冊成立，2010年7月投產； 公司占地580畝，員工總數(shù)800余人； 恒神是集碳纖維及織物、預浸料、碳纖維復合材料制品的設計、研發(fā)、制造、銷售和技術服務為一體的復合材料產品解決方案集成供應商，擁有完整的產業(yè)鏈和豐富的產品種類; 是立足于開放融合、集成創(chuàng)新的國家高新技術企業(yè)。,工程技術研究中心,江蘇省pan基碳纖維工程技術研究中心； 江蘇省碳纖維及復合材料高技術研究重點實驗室； 擁有先進的碳纖維和復合材料研發(fā)設備； 工程中心總投資約人民幣8000萬元,建筑面積10000 m2； 工程中心主要任務：高性能碳纖維及復合材料研究開發(fā)； 擁有行業(yè)領先專家級教授人才50余名、各類專業(yè)工程師100余名的技術團隊; 產學研合作：現(xiàn)與東華大學、北京化工大學、北京航空航天大學、西南交通大學等進行深度的合作。,公司原絲生產線整套由國際先進設備制造商根據公司工藝技術要求進行定制制造，設備性能達到國際一流水準，可生產1k 、 3k 、6k 、12k和24k原絲。 公司擁有四條原絲生產線。,精良的原絲生產線裝備,公司目前擁有三條碳化生產線，設備分別從美國、德國、日本和臺灣等地區(qū)引進，達到國際一流標準。,精良的碳化生產線裝備,精良的復合材料生產線裝備,世界一流的liba多軸向碳纖維經編機,世界領先的cavetic的航空級預浸機,編制車間現(xiàn)有兩臺多尼爾劍桿織機、一臺liba多軸向織機、兩臺國產劍桿織機,預浸車間現(xiàn)有臺灣兩步法預浸機（1.00m）、瑞士santex預浸機（1.27m）、臺灣一步法預浸機（1.27m）、德國coatema預浸機各1臺,碳纖維生產能力：目前具備年產碳纖維近3000噸能力，擁有干噴濕紡和濕噴濕紡，2014年年產能增至6000噸； 碳纖維品種包括hf10(t300)、hf20(t400)、hf30g(t700g)、hf30s(t700s)，涵蓋了1k、3k、12k、24k。 織物生產能力: 500萬m2/年; 多軸向織物定制規(guī)格：克重75300g/m2； 預浸料生產能力: 1千萬m2 /年; 預浸料定制規(guī)格：纖維克重50g/m21200g/m2，幅寬150mm1270mm。,生產能力,(b),復合材料共享數(shù)據庫 ncamp (national center for advanced materials performance),(b),2005年nasa贊助建立了國家先進材料性能中心（national center for advanced materials performancencamp），設立在wichita州立大學的國家航空研究所（national institute for aviation researchniar），開始了ncamp計劃,復合材料許用值,(b),民機適航規(guī)章（例如ccar 25部） 必須采用符合經批準材料規(guī)范的材料，依據足夠材料試驗數(shù)據，在試驗統(tǒng)計基礎上，并采用具有規(guī)定概率的性能數(shù)據進行設計，使得因材料偏差而引起結構破壞的概率最小。,復合材料許用值,(b),金屬結構 適航規(guī)章中沒有出現(xiàn)許用值的概念，雖然在25.613條款中使用了設計值的術語，也只是將其作為約定俗成的概念，沒有專門給出定義，而在工程中人們也經常稱為設計許用值，不管使用哪個術語，都不會產生誤解。,復合材許用值,(b),復合材料結構 復合材料與結構同時形成，且復合材料結構是可設計的，結構層壓板的鋪層比例、順序和厚度有無窮多的組合，如何描述結構用復合材料的性能？,復合材料許用值,(b),復合材料結構 ac20-107（1978年頒布）同金屬 ac20-107a（1984年頒布）首次給出了許用值與設計值的定義 ac20-107b（2009年頒布）對許用值和設計值的定義進行了修改,許用值和設計值的定義,(b),ac 20-107b 復合材料飛機結構 （2009） 許用值(allowables)：在概率基礎上（如分別具有99%概率和95%置信度，與90%概率和95%置信度的a或b基準值），由層壓板或單層級的試驗數(shù)據確定的材料值。導出這些值要求的數(shù)據量由所需的統(tǒng)計意義（或基準）決定。 設計值(design value)：為保證整個結構的完整性具有高置信度，由試驗數(shù)據確定并被選用的材料、結構元件和結構細節(jié)的性能。這些值通?；跒榭紤]實際結構狀態(tài)而經過修正的許用值，并用于分析計算安全裕度。,許用值和設計值的含義,(b),許用值一定是由層壓板或單層級試樣試驗數(shù)據確定，并經統(tǒng)計處理后得到的材料性能值，除在確定可靠性要求時進行了人為干預外，是材料性能的客觀反映。 設計值的確定受兩方面因素的影響，首先是對結構完整性要求的理解，即設計師必須確定該部件（或部位）結構完整性要求中最關鍵的因素；其次是設計師對結構設計、材料性能數(shù)據、制造及維護保障能力等一系列因素可靠性程度的判斷和設計師的經驗。設計值可以直接采用經統(tǒng)計處理后的許用值，也可以在其基礎上予以折減或增加。,(b),為確定結構設計用的設計值需要進行大量結構典型鋪層試樣試驗，來獲得包括無缺口拉伸、壓縮與剪切強度與模量、開孔和充填孔拉伸與壓縮強度、沖擊后壓縮強度、連接擠壓強度，以及其他設計強度校核所需的性能，這些試驗的種類和數(shù)量遠遠超過單層級層壓板的試驗數(shù)量，特別是這些性能與試樣試驗的吸濕狀態(tài)及試驗溫度有關，更使得試驗量呈若干倍地增加。由于結構典型鋪層與具體結構有關，在每個新的結構研制計劃中，國內外傳統(tǒng)上都要進行針對具體型號不同典型結構鋪層的試樣試驗，使得新結構的研制常常受制于獲得這些性能數(shù)據所需的周期和成本，成了復合材料在飛機結構中擴大應用的瓶頸，復合材料結構的制造廠商迫切希望能提出一種降低成本和研制周期的方法。,復合材料許用值,(b),多數(shù)確定設計值所用試樣的試驗結果一般只與鋪層比例有關，而與鋪層順序無關； 在一定的厚度范圍內（例如不超過4 mm），厚度對強度的影響可以忽略不計； 復合材料結構設計的特點使得結構鋪層比例和鋪層順序有很多限制，多集中在某一范圍內。,(b),可以選取某一厚度（或多個厚度）若干結構典型鋪層比例試樣進行試驗，然后通過經試驗證實的分析方法得到不同試驗條件下的毯式曲線（即鋪層比例與強度或模量的變化曲線），從而可以使試驗結果具有普遍意義，覆蓋結構可能采用的所有鋪層形式，用于采用同一材料體系及同一制造商制造的所有結構或所有型號設計。由于這些性能反映了以層壓板形式在具體結構中出現(xiàn)的材料性能，與具體部件（或部位）的結構完整性要求及設計師能力與判斷無關，根據定義應納入許用值的范疇。由于這些許用值直接決定了設計值的取值，因此通常稱為設計許用值，屬于許用值的重要組成部分,(b),復合材料在使用過程中經常會出現(xiàn)材料/工藝變化（包括制造商發(fā)生變化），由于復合材料的特點是材料與結構同時形成，因此材料性能與制造工藝密切相關，理論上出現(xiàn)其中任一變化時均應重復進行許用值的測試。所以國外研究同時提出了等效性評定的概念，即只要通過等效性評定證明變化后的材料與原來的材料等效，可只需進行少量更高級別的試驗驗證后繼續(xù)使用已有的許用值數(shù)據庫。,復合材料許用值的內涵,(b),許用值包括兩部分，即材料許用值和與設計許用值，它們是確定結構不同部位設計值的基礎。,材料許用值 （即單層級材料許用值）,(b),即傳統(tǒng)的許用值，包括不同吸濕與溫度條件組合（具體的組合取決于材料應用對象，或結構設計的要求）的下列性能： (1) 0(或經向）和90(或緯向）拉伸彈性模量和強度； (2) 0(或經向）和90(或緯向）壓縮彈性模量和強度； (3) 主泊松比； (4) 縱橫（面內）剪切彈性模量和強度。 上述性能中0(或經向）與90(或緯向）拉伸、壓縮強度、縱橫剪切強度通常取b-基準值，彈性模量和主泊松比取平均值（用于穩(wěn)定性計算時有可能需要b-基準值）。 材料許用值用于表征復合材料體系和結構設計與分析，是材料驗收和材料發(fā)生變化后進行等同性評定的基礎。,設計許用值 （與結構設計有關的許用值）,(b),(1) 典型層壓板,典型鋪層層壓板x軸拉伸彈性模量和強度； 典型鋪層層壓板y軸拉伸彈性模量和強度； 典型鋪層層壓板x軸壓縮彈性模量和強度； 典型鋪層層壓板y軸壓縮彈性模量和強度； 典型鋪層層壓板x-y平面面內剪切彈性模量和強度； 典型鋪層層壓板主泊松比。,x-y坐標系為典型鋪層層壓板參考坐標系。以上性能數(shù)據中強度取b-基準值，彈性模量和泊松比取平均值（穩(wěn)定性計算時采用b-基準值）。典型鋪層層壓板力學性能用于驗證和確定適用于結構用材料體系的層壓板失效準則，并建立彈性模量和強度毯式曲線。,設計許用值 （與結構設計有關的許用值）,(b),(2) 含缺口（包括充填孔）層壓板 典型鋪層層壓板開孔和充填孔拉伸強度； 典型鋪層層壓板開孔和充填孔壓縮強度。 以上性能數(shù)據取b-基準值。含缺口典型鋪層層壓板拉伸和壓縮強度在一定程度上代表制造中允許的缺陷對材料體系拉伸和壓縮強度的影響，并用于建立開孔和充填孔拉伸和壓縮強度毯式曲線。,設計許用值 （與結構設計有關的許用值）,(b),含沖擊損傷典型鋪層層壓板壓縮強度代表制造和使用過程中產生的沖擊損傷對材料體系壓縮強度的影響，并用于建立沖擊后壓縮強度的毯式曲線。沖擊后壓縮強度取b-基準值（沖擊能量應根據結構設計準則中的沖擊損傷要求選取）。含沖擊損傷層壓板壓縮強度一般與具體結構尺寸及支持條件有關，需要進行試樣直至組合件級試驗件試驗來最后確定，但通常用小試樣得到的沖擊后壓縮強度低于實際結構的承載能力，可以作為結構損傷容限初步設計用許用值的初始值，從這個意義上講，也可以作為設計許用值的一部分。,(3) 含沖擊損傷層壓板,設計許用值 （與結構設計有關的許用值）,(b),(4) 擠壓強度 典型鋪層層壓板擠壓強度代表材料體系的機械連接性能，取b-基準值。 (5) 其他 根據結構設計的需求，設計許用值還可以包括更多的內容，例如拉伸型分層斷裂韌性gic、剪切型分層斷裂韌性giic、厚度方向的層間彈性模量與強度、沖擊后拉伸強度與剪切強度等。,金屬材料性能現(xiàn)狀,(b),航空工業(yè)中金屬材料的規(guī)范和設計值被整個行業(yè)共享。就金屬設計而言，每個制造商可以直接使用這些數(shù)據而無需在這方面做簡單重復的工作。 金屬材料性能建立與標準化（mmpds）手冊,復合材料材料性能現(xiàn)狀,(b),材料與結構同時形成，材料性能與工藝關系密切（包括生產廠家），材料/工藝變化在整個生產過程中經常發(fā)生 復合材料是可設計的，結構材料鋪層比例、順序、厚度變化無窮 環(huán)境（包括溫度和吸濕量）對材料性能影響有明顯影響 結構設計值必須考慮初始缺陷/損傷的影響 復合材料許用值（包括材料許用值和設計許用值）的確定構成了積木式設計驗證試驗的基礎,復合材料材料性能現(xiàn)狀,(b),復合材料材料性能現(xiàn)狀,傳統(tǒng)只有像boeing，airbus這樣的大公司才有能力建立各自的材料規(guī)范和許用值數(shù)據庫，且屬于公司專利 復合材料許用值的建立耗費大量時間和財力，成了制約復合材料推廣應用的瓶頸,(b),ncamp簡介,(b),ncamp簡介,美國nasa、工業(yè)界和faa于19952001年實施agate（the advanced general aviation transport experiments先進通用航空運輸實驗）計劃，開始研發(fā)復合材料性能共享數(shù)據庫程序，agate共享數(shù)據庫程序包括原始材料鑒定、材料性能數(shù)據采集和等同性程序，來建立用于通用飛機的低成本新技術、行業(yè)標準和認證方法，建立共用數(shù)據庫。agate程序通過faa小飛機指導部政策備忘錄（policy statement number ace-00-23.613-01; volume 65, number 114）的形式表明了與聯(lián)邦法典14卷23.613條款的符合性，并已被faa接受。 agate程序比傳統(tǒng)的程序更有效率，并已鑒定了幾種材料體系，同時faa也直接參與了每一種材料的鑒定程序。迄今通用航空工業(yè)界一直在采用agate程序。,(b),ncamp簡介,2005年nasa贊助建立了國家先進材料性能中心（national center for advanced materials performancencamp），設立在wichita州立大學的國家航空研究所（national institute for aviation research），開始了ncamp計劃，以進一步完善agate程序，使其長期存在，并與cmh-17、faa和sae（汽車工程師協(xié)會）合作，為整個航宇工業(yè)服務。從1995年至2008年已有超過50種材料鑒定和等同性計劃采用了由faa直接監(jiān)督的agate程序，目前還有22種材料體系正在鑒定過程中。agate程序對通用航空工業(yè)建立共享復合材料性能數(shù)據庫已成為常規(guī)和標準的程序。所有的材料性能數(shù)據均按cmh-17的要求生成，并將在cmh-17的vol. 2中發(fā)布。,(b),ncamp簡介,2008年初，faa、cmh-17領導層、sae和ncamp開始討論研發(fā)更精簡和協(xié)調程序的長期目標，類似于金屬材料工業(yè)界已有的mmpds共享材料許用值，使得該程序能易于使用和存取復合材料許用值。目前提出的的方法類似于agate程序， agate程序中的關鍵方法依然保留。faa正在審查ncamp方法，以便用其評價正在產生的數(shù)據與條例的符合性后可以接受，這將使得潛在的宇航工業(yè)界用戶可以放心使用ncamp提供的數(shù)據，因為它是faa所接受的。它也是ncamp在cmh-17中發(fā)布設計數(shù)據同時給出潛在用戶為適當使用這些數(shù)據需要遵從的方法。為使ncamp數(shù)據被faa接受，用戶還要按ncamp制訂的等同性評定程序證明能生產出與發(fā)布的數(shù)據一致的材料。,(b),ncamp簡介,ac20-107b復合材料飛機結構 在某些情況中，材料和工藝信息可以成為整個工業(yè)界可接受的共享數(shù)據庫的一部分。已獲鑒定共享數(shù)據庫的新用戶必須正確使用相關標準（或規(guī)范）來控制有關材料和工藝，并通過進行關鍵性能等同性取樣試驗，來驗證該用戶的認知水平。用于技術標準規(guī)定（tso）規(guī)章或授權書中的材料和工藝，也必須經過鑒定和受控。,(b),ncamp簡介,2006年選擇了下列材料體系開始了ncamp共享數(shù)據庫的建立： cytec cycom 5215（包括t40-800ud gr 145 rc 33%，t650 6k 5hs rc 36%和t650 3k pw rc 38%）； cytec cycom5250-4（包括t650 ud gr 145 32%rc，t650 6k 5hs 35% rc）； hexcel 8552（包括as4 ud 190 gsm 35%rc, 固化后單層厚度7.4 mils，im7 ud 190 gsm 35%rc 固化后單層厚度7.3 mils，as4 plain weave fabric at 193 gsm 38%rc，固化后單層厚度7.95 mils） acg mtm 45-1（g30-500 193 gsm3k plain weave fabric 36%rc，g30-500 145 gsm uni32%rc，6781 s-2 glass 35%rc） toray 2510 后面兩種材料體系是繼承agate程序的成果，hexel8552系列的ncamp數(shù)據已于2011年7月發(fā)布，其余材料體系的數(shù)據也即將發(fā)布。,(b),ncamp組織架構,ncamp組織架構,管理控制組（rgb）由美國空軍、陸軍、faa、nasa和海軍組成，它的主要作用是監(jiān)控ncamp的工作程序，以保證產生的設計數(shù)據滿足條例要求，和監(jiān)控ncamp的活動，以保證滿足工業(yè)界需求的能力與執(zhí)行力。 制造商咨詢組（mab）由航宇公司，即原始設備制造商（oem）、首選供應商和一級供應商組成，目前有45個成員，每個成員必須指定專人作為成員的公司代表。mab在保證ncamp程序、方法、材料性能和規(guī)范滿足航宇應用要求中起重要作用。,ncamp組織架構,供應商咨詢組（sab）由航宇公司的材料供應商、二級與三級供應商組成，它的作用是將最新的材料與工藝技術提供給ncamp，以便包括在材料性能共享數(shù)據庫中，sab參與ncamp文件的審查過程，并在建立用于ncamp材料的質量標準中起重要作用。 性能評審組（prt）由學科專家、ncamp授權的檢測代表（ncamp air）和工程代表（ncamp aer