复合材料共享数据库教学PPT.ppt

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1、复合材料共享数据库,沈 真 史有好 李国明（江苏恒神纤维材料有限公司）SAMPE中国2011天津 2011年10月26-28日,江苏恒神纤维材料有限公司,2007年8月注册成立，2010年7月投产；公司占地580亩，员工总数800余人；恒神是集碳纤维及织物、预浸料、碳纤维复合材料制品的设计、研发、制造、销售和技术服务为一体的复合材料产品解决方案集成供应商，拥有完整的产业链和丰富的产品种类;是立足于开放融合、集成创新的国家高新技术企业。,工程技术研究中心,江苏省PAN基碳纤维工程技术研究中心；江苏省碳纤维及复合材料高技术研究重点实验室；拥有先进的碳纤维和复合材料研发设备；工程中心总投资约人民币8

2、000万元,建筑面积10000 m2；工程中心主要任务：高性能碳纤维及复合材料研究开发；拥有行业领先专家级教授人才50余名、各类专业工程师100余名的技术团队;产学研合作：现与东华大学、北京化工大学、北京航空航天大学、西南交通大学等进行深度的合作。,公司原丝生产线整套由国际先进设备制造商根据公司工艺技术要求进行定制制造，设备性能达到国际一流水准，可生产1K、3K、6K、12K和24K原丝。公司拥有四条原丝生产线。,精良的原丝生产线装备,公司目前拥有三条碳化生产线，设备分别从美国、德国、日本和台湾等地区引进，达到国际一流标准。,精良的碳化生产线装备,精良的复合材料生产线装备,世界一流的LIBA多

3、轴向碳纤维经编机,世界领先的CAVETIC的航空级预浸机,编制车间现有两台多尼尔剑杆织机、一台LIBA多轴向织机、两台国产剑杆织机,预浸车间现有台湾两步法预浸机（1.00m）、瑞士SANTEX预浸机（1.27m）、台湾一步法预浸机（1.27m）、德国Coatema预浸机各1台,碳纤维生产能力：目前具备年产碳纤维近3000吨能力，拥有干喷湿纺和湿喷湿纺，2014年年产能增至6000吨；碳纤维品种包括HF10(T300)、HF20(T400)、HF30G(T700G)、HF30S(T700S)，涵盖了1K、3K、12K、24K。织物生产能力:500万m2/年;多轴向织物定制规格：克重75300g/

4、m2；预浸料生产能力:1千万m2/年;预浸料定制规格：纤维克重50g/m21200g/m2，幅宽150mm1270mm。,生产能力,(b),复合材料共享数据库NCAMP(National Center for Advanced Materials Performance),(b),2005年NASA赞助建立了国家先进材料性能中心（National Center for Advanced Materials PerformanceNCAMP），设立在Wichita州立大学的国家航空研究所（National Institute for Aviation ResearchNIAR），开始了NCAMP

5、计划,复合材料许用值,(b),民机适航规章（例如CCAR 25部）必须采用符合经批准材料规范的材料，依据足够材料试验数据，在试验统计基础上，并采用具有规定概率的性能数据进行设计，使得因材料偏差而引起结构破坏的概率最小。,复合材料许用值,(b),金属结构 适航规章中没有出现许用值的概念，虽然在25.613条款中使用了设计值的术语，也只是将其作为约定俗成的概念，没有专门给出定义，而在工程中人们也经常称为设计许用值，不管使用哪个术语，都不会产生误解。,复合材许用值,(b),复合材料结构 复合材料与结构同时形成，且复合材料结构是可设计的，结构层压板的铺层比例、顺序和厚度有无穷多的组合，如何描述结构用复

6、合材料的性能？,复合材料许用值,(b),复合材料结构 AC20-107（1978年颁布）同金属AC20-107A（1984年颁布）首次给出了许用值与设计值的定义AC20-107B（2009年颁布）对许用值和设计值的定义进行了修改,许用值和设计值的定义,(b),AC 20-107B 复合材料飞机结构（2009）许用值(Allowables)：在概率基础上（如分别具有99%概率和95%置信度，与90%概率和95%置信度的A或B基准值），由层压板或单层级的试验数据确定的材料值。导出这些值要求的数据量由所需的统计意义（或基准）决定。设计值(Design Value)：为保证整个结构的完整性具有高置信度

7、，由试验数据确定并被选用的材料、结构元件和结构细节的性能。这些值通常基于为考虑实际结构状态而经过修正的许用值，并用于分析计算安全裕度。,许用值和设计值的含义,(b),许用值一定是由层压板或单层级试样试验数据确定，并经统计处理后得到的材料性能值，除在确定可靠性要求时进行了人为干预外，是材料性能的客观反映。设计值的确定受两方面因素的影响，首先是对结构完整性要求的理解，即设计师必须确定该部件（或部位）结构完整性要求中最关键的因素；其次是设计师对结构设计、材料性能数据、制造及维护保障能力等一系列因素可靠性程度的判断和设计师的经验。设计值可以直接采用经统计处理后的许用值，也可以在其基础上予以折减或增加。

8、,(b),为确定结构设计用的设计值需要进行大量结构典型铺层试样试验，来获得包括无缺口拉伸、压缩与剪切强度与模量、开孔和充填孔拉伸与压缩强度、冲击后压缩强度、连接挤压强度，以及其他设计强度校核所需的性能，这些试验的种类和数量远远超过单层级层压板的试验数量，特别是这些性能与试样试验的吸湿状态及试验温度有关，更使得试验量呈若干倍地增加。由于结构典型铺层与具体结构有关，在每个新的结构研制计划中，国内外传统上都要进行针对具体型号不同典型结构铺层的试样试验，使得新结构的研制常常受制于获得这些性能数据所需的周期和成本，成了复合材料在飞机结构中扩大应用的瓶颈，复合材料结构的制造厂商迫切希望能提出一种降低成本和

9、研制周期的方法。,复合材料许用值,(b),多数确定设计值所用试样的试验结果一般只与铺层比例有关，而与铺层顺序无关；在一定的厚度范围内（例如不超过4 mm），厚度对强度的影响可以忽略不计；复合材料结构设计的特点使得结构铺层比例和铺层顺序有很多限制，多集中在某一范围内。,(b),可以选取某一厚度（或多个厚度）若干结构典型铺层比例试样进行试验，然后通过经试验证实的分析方法得到不同试验条件下的毯式曲线（即铺层比例与强度或模量的变化曲线），从而可以使试验结果具有普遍意义，覆盖结构可能采用的所有铺层形式，用于采用同一材料体系及同一制造商制造的所有结构或所有型号设计。由于这些性能反映了以层压板形式在具体结构

10、中出现的材料性能，与具体部件（或部位）的结构完整性要求及设计师能力与判断无关，根据定义应纳入许用值的范畴。由于这些许用值直接决定了设计值的取值，因此通常称为设计许用值，属于许用值的重要组成部分,(b),复合材料在使用过程中经常会出现材料/工艺变化（包括制造商发生变化），由于复合材料的特点是材料与结构同时形成，因此材料性能与制造工艺密切相关，理论上出现其中任一变化时均应重复进行许用值的测试。所以国外研究同时提出了等效性评定的概念，即只要通过等效性评定证明变化后的材料与原来的材料等效，可只需进行少量更高级别的试验验证后继续使用已有的许用值数据库。,复合材料许用值的内涵,(b),许用值包括两部分，即

11、材料许用值和与设计许用值，它们是确定结构不同部位设计值的基础。,材料许用值（即单层级材料许用值）,(b),即传统的许用值，包括不同吸湿与温度条件组合（具体的组合取决于材料应用对象，或结构设计的要求）的下列性能：(1)0(或经向）和90(或纬向）拉伸弹性模量和强度；(2)0(或经向）和90(或纬向）压缩弹性模量和强度；(3)主泊松比；(4)纵横（面内）剪切弹性模量和强度。上述性能中0(或经向）与90(或纬向）拉伸、压缩强度、纵横剪切强度通常取B-基准值，弹性模量和主泊松比取平均值（用于稳定性计算时有可能需要B-基准值）。材料许用值用于表征复合材料体系和结构设计与分析，是材料验收和材料发生变化后进

12、行等同性评定的基础。,设计许用值（与结构设计有关的许用值）,(b),(1)典型层压板,典型铺层层压板x轴拉伸弹性模量和强度；典型铺层层压板y轴拉伸弹性模量和强度；典型铺层层压板x轴压缩弹性模量和强度；典型铺层层压板y轴压缩弹性模量和强度；典型铺层层压板x-y平面面内剪切弹性模量和强度；典型铺层层压板主泊松比。,x-y坐标系为典型铺层层压板参考坐标系。以上性能数据中强度取B-基准值，弹性模量和泊松比取平均值（稳定性计算时采用B-基准值）。典型铺层层压板力学性能用于验证和确定适用于结构用材料体系的层压板失效准则，并建立弹性模量和强度毯式曲线。,设计许用值（与结构设计有关的许用值）,(b),(2)含

13、缺口（包括充填孔）层压板典型铺层层压板开孔和充填孔拉伸强度；典型铺层层压板开孔和充填孔压缩强度。以上性能数据取B-基准值。含缺口典型铺层层压板拉伸和压缩强度在一定程度上代表制造中允许的缺陷对材料体系拉伸和压缩强度的影响，并用于建立开孔和充填孔拉伸和压缩强度毯式曲线。,设计许用值（与结构设计有关的许用值）,(b),含冲击损伤典型铺层层压板压缩强度代表制造和使用过程中产生的冲击损伤对材料体系压缩强度的影响，并用于建立冲击后压缩强度的毯式曲线。冲击后压缩强度取B-基准值（冲击能量应根据结构设计准则中的冲击损伤要求选取）。含冲击损伤层压板压缩强度一般与具体结构尺寸及支持条件有关，需要进行试样直至组合件

14、级试验件试验来最后确定，但通常用小试样得到的冲击后压缩强度低于实际结构的承载能力，可以作为结构损伤容限初步设计用许用值的初始值，从这个意义上讲，也可以作为设计许用值的一部分。,(3)含冲击损伤层压板,设计许用值（与结构设计有关的许用值）,(b),(4)挤压强度 典型铺层层压板挤压强度代表材料体系的机械连接性能，取B-基准值。(5)其他 根据结构设计的需求，设计许用值还可以包括更多的内容，例如拉伸型分层断裂韧性GIC、剪切型分层断裂韧性GIIC、厚度方向的层间弹性模量与强度、冲击后拉伸强度与剪切强度等。,金属材料性能现状,(b),航空工业中金属材料的规范和设计值被整个行业共享。就金属设计而言，每

15、个制造商可以直接使用这些数据而无需在这方面做简单重复的工作。金属材料性能建立与标准化（MMPDS）手册,复合材料材料性能现状,(b),材料与结构同时形成，材料性能与工艺关系密切（包括生产厂家），材料/工艺变化在整个生产过程中经常发生复合材料是可设计的，结构材料铺层比例、顺序、厚度变化无穷环境（包括温度和吸湿量）对材料性能影响有明显影响结构设计值必须考虑初始缺陷/损伤的影响复合材料许用值（包括材料许用值和设计许用值）的确定构成了积木式设计验证试验的基础,复合材料材料性能现状,(b),复合材料材料性能现状,传统只有像Boeing，Airbus这样的大公司才有能力建立各自的材料规范和许用值数据库，且

16、属于公司专利复合材料许用值的建立耗费大量时间和财力，成了制约复合材料推广应用的瓶颈,(b),NCAMP简介,(b),NCAMP简介,美国NASA、工业界和FAA于19952001年实施AGATE（the Advanced General Aviation Transport Experiments先进通用航空运输实验）计划，开始研发复合材料性能共享数据库程序，AGATE共享数据库程序包括原始材料鉴定、材料性能数据采集和等同性程序，来建立用于通用飞机的低成本新技术、行业标准和认证方法，建立共用数据库。AGATE程序通过FAA小飞机指导部政策备忘录（Policy Statement Number

17、ACE-00-23.613-01;Volume 65,Number 114）的形式表明了与联邦法典14卷23.613条款的符合性，并已被FAA接受。AGATE程序比传统的程序更有效率，并已鉴定了几种材料体系，同时FAA也直接参与了每一种材料的鉴定程序。迄今通用航空工业界一直在采用AGATE程序。,(b),NCAMP简介,2005年NASA赞助建立了国家先进材料性能中心（National Center for Advanced Materials PerformanceNCAMP），设立在Wichita州立大学的国家航空研究所（National Institute for Aviation Re

18、search），开始了NCAMP计划，以进一步完善AGATE程序，使其长期存在，并与CMH-17、FAA和SAE（汽车工程师协会）合作，为整个航宇工业服务。从1995年至2008年已有超过50种材料鉴定和等同性计划采用了由FAA直接监督的AGATE程序，目前还有22种材料体系正在鉴定过程中。AGATE程序对通用航空工业建立共享复合材料性能数据库已成为常规和标准的程序。所有的材料性能数据均按CMH-17的要求生成，并将在CMH-17的Vol.2中发布。,(b),NCAMP简介,2008年初，FAA、CMH-17领导层、SAE和NCAMP开始讨论研发更精简和协调程序的长期目标，类似于金属材料工业界

19、已有的MMPDS共享材料许用值，使得该程序能易于使用和存取复合材料许用值。目前提出的的方法类似于AGATE程序，AGATE程序中的关键方法依然保留。FAA正在审查NCAMP方法，以便用其评价正在产生的数据与条例的符合性后可以接受，这将使得潜在的宇航工业界用户可以放心使用NCAMP提供的数据，因为它是FAA所接受的。它也是NCAMP在CMH-17中发布设计数据同时给出潜在用户为适当使用这些数据需要遵从的方法。为使NCAMP数据被FAA接受，用户还要按NCAMP制订的等同性评定程序证明能生产出与发布的数据一致的材料。,(b),NCAMP简介,AC20-107B复合材料飞机结构 在某些情况中，材料和

20、工艺信息可以成为整个工业界可接受的共享数据库的一部分。已获鉴定共享数据库的新用户必须正确使用相关标准（或规范）来控制有关材料和工艺，并通过进行关键性能等同性取样试验，来验证该用户的认知水平。用于技术标准规定（TSO）规章或授权书中的材料和工艺，也必须经过鉴定和受控。,(b),NCAMP简介,2006年选择了下列材料体系开始了NCAMP共享数据库的建立：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，T

21、650 6K 5HS 35%RC）；Hexcel 8552（包括AS4 UD 190 gsm 35%RC,固化后单层厚度7.4 mils，IM7 UD 190 gsm 35%RC 固化后单层厚度7.3 mils，AS4 plain weave fabric at 193 gsm 38%RC，固化后单层厚度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 后面两种材料体系是继承AGATE程序的成果，He

22、xel8552系列的NCAMP数据已于2011年7月发布，其余材料体系的数据也即将发布。,(b),NCAMP组织架构,NCAMP组织架构,管理控制组（RGB）由美国空军、陆军、FAA、NASA和海军组成，它的主要作用是监控NCAMP的工作程序，以保证产生的设计数据满足条例要求，和监控NCAMP的活动，以保证满足工业界需求的能力与执行力。制造商咨询组（MAB）由航宇公司，即原始设备制造商（OEM）、首选供应商和一级供应商组成，目前有45个成员，每个成员必须指定专人作为成员的公司代表。MAB在保证NCAMP程序、方法、材料性能和规范满足航宇应用要求中起重要作用。,NCAMP组织架构,供应商咨询组（

23、SAB）由航宇公司的材料供应商、二级与三级供应商组成，它的作用是将最新的材料与工艺技术提供给NCAMP，以便包括在材料性能共享数据库中，SAB参与NCAMP文件的审查过程，并在建立用于NCAMP材料的质量标准中起重要作用。性能评审组（PRT）由学科专家、NCAMP授权的检测代表（NCAMP AIR）和工程代表（NCAMP AER）组成，其中大部分是顾问。目前参与NCAMP的公司和机构已超过了60个，几乎包含了欧美所有与航宇有关的知名公司和组织。,NCAMP成员,NCAMP核心文件,(b),NCAMP材料鉴定和数据获取程序,(b),对用户的等同性评定程序,(b),采用NCAMP程序的优点,NCA

24、MP工业界共享材料性能数据库方法的目的是创建用于材料鉴定、材料性能数据获取和材料许用值建立的标准化方法，该方法消除了多余的鉴定和材料性能数据建立工作，还加快了“一个材料一个规范”的体系建设，它比目前对基本上相同的材料由每个航宇公司创的多个材料规范建体系更有效率。对MAB成员和其他部件制造商的好处是减少试验工作和更有效地利用资源，减少甚至不必进行选材试验。MAB成员可以基于发布的数据较早地进入初步设计阶段，同时还可以加快进度。通过等同性程序利用“预鉴定”的材料性能数据、许用值和规范所需的成本大约只有进行新材料鉴定和建立许用值所需成本的10%15%。,(b),采用NCAMP程序的优点,对材料供应商

25、的好处是，它们的材料会成为航宇公司首选，因为若使用进入NCAMP数据库的材料只需进行较少的工作。此外材料供应商还可以通过按标准性能（如纤维面积重量和树脂含量）生产标准产品得到好处。RGB成员则可以采用规范的方法来监管材料鉴定和性能数据建立程序来保证与适用的条例和/或要求的符合性，否则必须针对不同的公司按不同的方法进行，后者需要更多的资源。国防部和NASA作为航宇飞行器的用户，也可通过NCAMP程序获得的成本降低与时间节约得到好处,(b),建 议,复合材料许用值的建立耗时耗钱，是制约复合材料在结构中推广应用的瓶颈建立中国的NCAMP，使所有的复合材料用户能获得免费的复合材料许用值数据库，是将复合材料在结构中推广应用的关键措施,(b),谢谢,