復(fù)合材料共享數(shù)據(jù)庫教學(xué)PPT.ppt

復(fù)合材料共享數(shù)據(jù)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(chǎn)； 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(yù)浸料、碳纖維復(fù)合材料制品的設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、銷售和技術(shù)服務(wù)為一體的復(fù)合材料產(chǎn)品解決方案集成供應(yīng)商，擁有完整的產(chǎn)業(yè)鏈和豐富的產(chǎn)品種類; 是立足于開放融合、集成創(chuàng)新的國家高新技術(shù)企業(yè)。,工程技術(shù)研究中心,江蘇省pan基碳纖維工程技術(shù)研究中心； 江蘇省碳纖維及復(fù)合材料高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 擁有先進(jìn)的碳纖維和復(fù)合材料研發(fā)設(shè)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(wù)：高性能碳纖維及復(fù)合材料研究開發(fā)； 擁有行業(yè)領(lǐng)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(shù)團(tuán)隊(duì); 產(chǎn)學(xué)研合作：現(xiàn)與東華大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西南交通大學(xué)等進(jìn)行深度的合作。,公司原絲生產(chǎn)線整套由國際先進(jìn)設(shè)備制造商根據(jù)公司工藝技術(shù)要求進(jìn)行定制制造，設(shè)備性能達(dá)到國際一流水準(zhǔn)，可生產(chǎn)1k 、 3k 、6k 、12k和24k原絲。 公司擁有四條原絲生產(chǎn)線。,精良的原絲生產(chǎn)線裝備,公司目前擁有三條碳化生產(chǎn)線，設(shè)備分別從美國、德國、日本和臺灣等地區(qū)引進(jìn)，達(dá)到國際一流標(biāo)準(zhǔn)。,精良的碳化生產(chǎn)線裝備,精良的復(fù)合材料生產(chǎn)線裝備,世界一流的liba多軸向碳纖維經(jīng)編機(jī),世界領(lǐng)先的cavetic的航空級預(yù)浸機(jī),編制車間現(xiàn)有兩臺多尼爾劍桿織機(jī)、一臺liba多軸向織機(jī)、兩臺國產(chǎn)劍桿織機(jī),預(yù)浸車間現(xiàn)有臺灣兩步法預(yù)浸機(jī)（1.00m）、瑞士santex預(yù)浸機(jī)（1.27m）、臺灣一步法預(yù)浸機(jī)（1.27m）、德國coatema預(yù)浸機(jī)各1臺,碳纖維生產(chǎn)能力：目前具備年產(chǎn)碳纖維近3000噸能力，擁有干噴濕紡和濕噴濕紡，2014年年產(chǎn)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(chǎn)能力: 500萬m2/年; 多軸向織物定制規(guī)格：克重75300g/m2； 預(yù)浸料生產(chǎn)能力: 1千萬m2 /年; 預(yù)浸料定制規(guī)格：纖維克重50g/m21200g/m2，幅寬150mm1270mm。,生產(chǎn)能力,(b),復(fù)合材料共享數(shù)據(jù)庫 ncamp (national center for advanced materials performance),(b),2005年nasa贊助建立了國家先進(jìn)材料性能中心（national center for advanced materials performancencamp），設(shè)立在wichita州立大學(xué)的國家航空研究所（national institute for aviation researchniar），開始了ncamp計(jì)劃,復(fù)合材料許用值,(b),民機(jī)適航規(guī)章（例如ccar 25部） 必須采用符合經(jīng)批準(zhǔn)材料規(guī)范的材料，依據(jù)足夠材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，并采用具有規(guī)定概率的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得因材料偏差而引起結(jié)構(gòu)破壞的概率最小。,復(fù)合材料許用值,(b),金屬結(jié)構(gòu) 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(shè)計(jì)值的術(shù)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(jīng)常稱為設(shè)計(jì)許用值，不管使用哪個術(shù)語，都不會產(chǎn)生誤解。,復(fù)合材許用值,(b),復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)同時形成，且復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是可設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)用復(fù)合材料的性能？,復(fù)合材料許用值,(b),復(fù)合材料結(jié)構(gòu) 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(shè)計(jì)值的定義 ac20-107b（2009年頒布）對許用值和設(shè)計(jì)值的定義進(jìn)行了修改,許用值和設(shè)計(jì)值的定義,(b),ac 20-107b 復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu) （2009） 許用值(allowables)：在概率基礎(chǔ)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(zhǔn)值），由層壓板或單層級的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的材料值。導(dǎo)出這些值要求的數(shù)據(jù)量由所需的統(tǒng)計(jì)意義（或基準(zhǔn)）決定。 設(shè)計(jì)值(design value)：為保證整個結(jié)構(gòu)的完整性具有高置信度，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定并被選用的材料、結(jié)構(gòu)元件和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的性能。這些值通?；跒榭紤]實(shí)際結(jié)構(gòu)狀態(tài)而經(jīng)過修正的許用值，并用于分析計(jì)算安全裕度。,許用值和設(shè)計(jì)值的含義,(b),許用值一定是由層壓板或單層級試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，并經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理后得到的材料性能值，除在確定可靠性要求時進(jìn)行了人為干預(yù)外，是材料性能的客觀反映。 設(shè)計(jì)值的確定受兩方面因素的影響，首先是對結(jié)構(gòu)完整性要求的理解，即設(shè)計(jì)師必須確定該部件（或部位）結(jié)構(gòu)完整性要求中最關(guān)鍵的因素；其次是設(shè)計(jì)師對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能數(shù)據(jù)、制造及維護(hù)保障能力等一系列因素可靠性程度的判斷和設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)值可以直接采用經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理后的許用值，也可以在其基礎(chǔ)上予以折減或增加。,(b),為確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用的設(shè)計(jì)值需要進(jìn)行大量結(jié)構(gòu)典型鋪層試樣試驗(yàn)，來獲得包括無缺口拉伸、壓縮與剪切強(qiáng)度與模量、開孔和充填孔拉伸與壓縮強(qiáng)度、沖擊后壓縮強(qiáng)度、連接擠壓強(qiáng)度，以及其他設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核所需的性能，這些試驗(yàn)的種類和數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單層級層壓板的試驗(yàn)數(shù)量，特別是這些性能與試樣試驗(yàn)的吸濕狀態(tài)及試驗(yàn)溫度有關(guān)，更使得試驗(yàn)量呈若干倍地增加。由于結(jié)構(gòu)典型鋪層與具體結(jié)構(gòu)有關(guān)，在每個新的結(jié)構(gòu)研制計(jì)劃中，國內(nèi)外傳統(tǒng)上都要進(jìn)行針對具體型號不同典型結(jié)構(gòu)鋪層的試樣試驗(yàn)，使得新結(jié)構(gòu)的研制常常受制于獲得這些性能數(shù)據(jù)所需的周期和成本，成了復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中擴(kuò)大應(yīng)用的瓶頸，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)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(fù)合材料許用值,(b),多數(shù)確定設(shè)計(jì)值所用試樣的試驗(yàn)結(jié)果一般只與鋪層比例有關(guān)，而與鋪層順序無關(guān)； 在一定的厚度范圍內(nèi)（例如不超過4 mm），厚度對強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)； 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)使得結(jié)構(gòu)鋪層比例和鋪層順序有很多限制，多集中在某一范圍內(nèi)。,(b),可以選取某一厚度（或多個厚度）若干結(jié)構(gòu)典型鋪層比例試樣進(jìn)行試驗(yàn)，然后通過經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)的分析方法得到不同試驗(yàn)條件下的毯式曲線（即鋪層比例與強(qiáng)度或模量的變化曲線），從而可以使試驗(yàn)結(jié)果具有普遍意義，覆蓋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)或所有型號設(shè)計(jì)。由于這些性能反映了以層壓板形式在具體結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的材料性能，與具體部件（或部位）的結(jié)構(gòu)完整性要求及設(shè)計(jì)師能力與判斷無關(guān)，根據(jù)定義應(yīng)納入許用值的范疇。由于這些許用值直接決定了設(shè)計(jì)值的取值，因此通常稱為設(shè)計(jì)許用值，屬于許用值的重要組成部分,(b),復(fù)合材料在使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)材料/工藝變化（包括制造商發(fā)生變化），由于復(fù)合材料的特點(diǎn)是材料與結(jié)構(gòu)同時形成，因此材料性能與制造工藝密切相關(guān)，理論上出現(xiàn)其中任一變化時均應(yīng)重復(fù)進(jìn)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(jìn)行少量更高級別的試驗(yàn)驗(yàn)證后繼續(xù)使用已有的許用值數(shù)據(jù)庫。,復(fù)合材料許用值的內(nèi)涵,(b),許用值包括兩部分，即材料許用值和與設(shè)計(jì)許用值，它們是確定結(jié)構(gòu)不同部位設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)。,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(yīng)用對象，或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求）的下列性能： (1) 0(或經(jīng)向）和90(或緯向）拉伸彈性模量和強(qiáng)度； (2) 0(或經(jīng)向）和90(或緯向）壓縮彈性模量和強(qiáng)度； (3) 主泊松比； (4) 縱橫（面內(nèi)）剪切彈性模量和強(qiáng)度。 上述性能中0(或經(jīng)向）與90(或緯向）拉伸、壓縮強(qiáng)度、縱橫剪切強(qiáng)度通常取b-基準(zhǔn)值，彈性模量和主泊松比取平均值（用于穩(wěn)定性計(jì)算時有可能需要b-基準(zhǔn)值）。 材料許用值用于表征復(fù)合材料體系和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，是材料驗(yàn)收和材料發(fā)生變化后進(jìn)行等同性評定的基礎(chǔ)。,設(shè)計(jì)許用值 （與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)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(qiáng)度； 典型鋪層層壓板y軸拉伸彈性模量和強(qiáng)度； 典型鋪層層壓板x軸壓縮彈性模量和強(qiáng)度； 典型鋪層層壓板y軸壓縮彈性模量和強(qiáng)度； 典型鋪層層壓板x-y平面面內(nèi)剪切彈性模量和強(qiáng)度； 典型鋪層層壓板主泊松比。,x-y坐標(biāo)系為典型鋪層層壓板參考坐標(biāo)系。以上性能數(shù)據(jù)中強(qiáng)度取b-基準(zhǔn)值，彈性模量和泊松比取平均值（穩(wěn)定性計(jì)算時采用b-基準(zhǔn)值）。典型鋪層層壓板力學(xué)性能用于驗(yàn)證和確定適用于結(jié)構(gòu)用材料體系的層壓板失效準(zhǔn)則，并建立彈性模量和強(qiáng)度毯式曲線。,設(shè)計(jì)許用值 （與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)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(qiáng)度； 典型鋪層層壓板開孔和充填孔壓縮強(qiáng)度。 以上性能數(shù)據(jù)取b-基準(zhǔn)值。含缺口典型鋪層層壓板拉伸和壓縮強(qiáng)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(qiáng)度的影響，并用于建立開孔和充填孔拉伸和壓縮強(qiáng)度毯式曲線。,設(shè)計(jì)許用值 （與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的許用值）,(b),含沖擊損傷典型鋪層層壓板壓縮強(qiáng)度代表制造和使用過程中產(chǎn)生的沖擊損傷對材料體系壓縮強(qiáng)度的影響，并用于建立沖擊后壓縮強(qiáng)度的毯式曲線。沖擊后壓縮強(qiáng)度取b-基準(zhǔn)值（沖擊能量應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的沖擊損傷要求選?。?。含沖擊損傷層壓板壓縮強(qiáng)度一般與具體結(jié)構(gòu)尺寸及支持條件有關(guān)，需要進(jìn)行試樣直至組合件級試驗(yàn)件試驗(yàn)來最后確定，但通常用小試樣得到的沖擊后壓縮強(qiáng)度低于實(shí)際結(jié)構(gòu)的承載能力，可以作為結(jié)構(gòu)損傷容限初步設(shè)計(jì)用許用值的初始值，從這個意義上講，也可以作為設(shè)計(jì)許用值的一部分。,(3) 含沖擊損傷層壓板,設(shè)計(jì)許用值 （與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)的許用值）,(b),(4) 擠壓強(qiáng)度 典型鋪層層壓板擠壓強(qiáng)度代表材料體系的機(jī)械連接性能，取b-基準(zhǔn)值。 (5) 其他 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，設(shè)計(jì)許用值還可以包括更多的內(nèi)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(qiáng)度、沖擊后拉伸強(qiáng)度與剪切強(qiáng)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(shè)計(jì)值被整個行業(yè)共享。就金屬設(shè)計(jì)而言，每個制造商可以直接使用這些數(shù)據(jù)而無需在這方面做簡單重復(fù)的工作。 金屬材料性能建立與標(biāo)準(zhǔn)化（mmpds）手冊,復(fù)合材料材料性能現(xiàn)狀,(b),材料與結(jié)構(gòu)同時形成，材料性能與工藝關(guān)系密切（包括生產(chǎn)廠家），材料/工藝變化在整個生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生 復(fù)合材料是可設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值必須考慮初始缺陷/損傷的影響 復(fù)合材料許用值（包括材料許用值和設(shè)計(jì)許用值）的確定構(gòu)成了積木式設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)的基礎(chǔ),復(fù)合材料材料性能現(xiàn)狀,(b),復(fù)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(jù)庫，且屬于公司專利 復(fù)合材料許用值的建立耗費(fèi)大量時間和財(cái)力，成了制約復(fù)合材料推廣應(yīng)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(shí)施agate（the advanced general aviation transport experiments先進(jìn)通用航空運(yùn)輸實(shí)驗(yàn)）計(jì)劃，開始研發(fā)復(fù)合材料性能共享數(shù)據(jù)庫程序，agate共享數(shù)據(jù)庫程序包括原始材料鑒定、材料性能數(shù)據(jù)采集和等同性程序，來建立用于通用飛機(jī)的低成本新技術(shù)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證方法，建立共用數(shù)據(jù)庫。agate程序通過faa小飛機(jī)指導(dǎo)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(jìn)材料性能中心（national center for advanced materials performancencamp），設(shè)立在wichita州立大學(xué)的國家航空研究所（national institute for aviation research），開始了ncamp計(jì)劃，以進(jìn)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(wù)。從1995年至2008年已有超過50種材料鑒定和等同性計(jì)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?qū)νㄓ煤娇展I(yè)建立共享復(fù)合材料性能數(shù)據(jù)庫已成為常規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的程序。所有的材料性能數(shù)據(jù)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(lǐng)導(dǎo)層、sae和ncamp開始討論研發(fā)更精簡和協(xié)調(diào)程序的長期目標(biāo)，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(fù)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(guān)鍵方法依然保留。faa正在審查ncamp方法，以便用其評價(jià)正在產(chǎn)生的數(shù)據(jù)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(jù)，因?yàn)樗莊aa所接受的。它也是ncamp在cmh-17中發(fā)布設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)同時給出潛在用戶為適當(dāng)使用這些數(shù)據(jù)需要遵從的方法。為使ncamp數(shù)據(jù)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(chǎn)出與發(fā)布的數(shù)據(jù)一致的材料。,(b),ncamp簡介,ac20-107b復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu) 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(jù)庫的一部分。已獲鑒定共享數(shù)據(jù)庫的新用戶必須正確使用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（或規(guī)范）來控制有關(guān)材料和工藝，并通過進(jìn)行關(guān)鍵性能等同性取樣試驗(yàn)，來驗(yàn)證該用戶的認(rèn)知水平。用于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（tso）規(guī)章或授權(quán)書中的材料和工藝，也必須經(jīng)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(jù)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(jù)已于2011年7月發(fā)布，其余材料體系的數(shù)據(jù)也即將發(fā)布。,(b),ncamp組織架構(gòu),ncamp組織架構(gòu),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(chǎn)生的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)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(shè)備制造商（oem）、首選供應(yīng)商和一級供應(yīng)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(yīng)用要求中起重要作用。,ncamp組織架構(gòu),供應(yīng)商咨詢組（sab）由航宇公司的材料供應(yīng)商、二級與三級供應(yīng)商組成，它的作用是將最新的材料與工藝技術(shù)提供給ncamp，以便包括在材料性能共享數(shù)據(jù)庫中，sab參與ncamp文件的審查過程，并在建立用于ncamp材料的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中起重要作用。 性能評審組（prt）由學(xué)科專家、ncamp授權(quán)的檢測代表（ncamp air）和工程代表（ncamp aer