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摘要：复合材料的结构设计是指在应用情况下，对复合材料的强度、稳定性等等进行计算，进而选择确定产品的整体结构，即形态以及相关的材料的用量等，因此对复合材料的结构设计是复合材料产品生产过程当中的重要环节，而其中的分析计算，又贯穿于产品设计的整个工作环节。因此可以看出，在复合材料产品设计过程当中分析计算是非常重要的，而人力并不能很好地完成这项复杂的工作，这时候计算机对其影响就越来越大。
关键词：复合材料；计算机辅助；设计
概述
随着复合材料需求量的快速增长，复合材料的设计制造技术逐渐开始发展。众所周知，复合材料具有材料可设计性，通过不同的材料设计以及结构设计以应对不同的受力情况，在这一过程中，需要不断地对材料与结构进行修改与测试，以确定其性能是否满足需要，但是，当前只能通过大量的实验来验证设计过程，这使得复合材料结构件的生产周期大大加长，设计成本被大幅度提高。
目前，针对该问题的最佳解决方案，是对产品的全生命周期实现数字化与自动化。几何建模是复合材料结构件数字化设计、分析和制造的基础，通过复合材料制件CAD建模技术研究，研制结构件的建模算法，可以实现复合材料制件的数字化表达以及与CAE的集成。这将使设计制造分析高度集成，大大减少复合材料的研发成本并提升产品的设计效率，从而提高了复合材料设计制造技术的集成化与数字化水平，促进相关设计制造业的发展。
一、复合材料的性能
复合材料是由两种或多种材料在宏观尺度上组成的新材料。组成复合材料的各种材料叫做这种复合材料的组分材料。复合材料一般具有优于各组分材料的性能，甚至会具有各组分材料没有的性能。比强度是材料纵向拉伸强度与其相对密度的比值；比模量是材料纵向拉伸模量与其相对密度的比值。这两个物理量可以粗略反映相同重量的不同材料抵抗破坏和变形的能力。一般地说，复合材料相对于常规的金属和合金材料具有更高的比模量和比强度。
二、复合材料设计理论研究
铺层是复合材料制件的基本的单元。在复合材料制件中，层的概念指的是由单向束状或编织的纤维增强体经基体固化形成的单向带或单向层。由多层单向层按不同的纤维方向铺覆所形成构件成为复合材料层合板。复合材料层压结构件的基本单元正是这种按各种不同铺层设计要素组成的层合板，由于这种铺层及纤维束结构的可设计性，设计师可以在进行结构设计的同时，根据不同区域的受力特点进行针对性的材料设计，以达到最优化设计的目的。
复合材料结构设计，首先应明确设计条件，之后进行设计选材和层合板设计，然后进行结构设计。在整个设计过程中，应视不同阶段进行相应试验，包括某些工艺试验。其中材料试样、元件、组合件和部件四个层次积木式方法的验证试验，在保证复合材料结构满足结构设计要求方面占有重要地位。
设计条件包括对结构的性能要求、载荷情况、环境条件和工艺条件等四个方面。载荷情况是指所设计结构承受的载荷性质，如静载荷或动载荷。动载荷分为冲击载荷和交变载荷。冲击是碰撞引起的载荷，它对复合材料极易造成损伤，尤其是低能量冲击造成的损伤不易觉察，潜在威胁大，因此对这类载荷作用部位的结构，设计时要特别注意，交变载荷作用下结构应具有需要的疲劳强度和寿命。环境条件是指结构使用区域的大气、气象及其他物理化学环境。工艺条件外括了预浸料制作或预制件（二维、三维编织或缝编预制件）制作、固化成形、机械加工和装配，以及修补等几个方面的设备条件和人员素质等。
材料设计包括组分材料的选用、铺层的确定以及层合板设计。结构设计则包含结构形式的确定、结构元件设计、结构细节设计和连接设计等内容。这两项设计工作要涉及到应力、应变分析和失效判断，以确保结构满足规定的强度与刚度要求。最终还需进行损伤容限的评定，以确保结构满足完整性要求。设计合理的复合材料飞机，具有成本低、重量轻、高结构效率、耐高温等多种优点，这一技术极大的推动了国内航天技术的发展。
三、复合材料结构件多尺度几何建模技术研究
复合材料层合板具有典型的多尺度特征，各个尺度定义为：在微观尺度（微米级），单层内由大量直径为几微米至十几微米的纤维增强体单束构成；在细观尺度（毫米级），多个不同角度的单层铺放组成复合的层合板结构；在宏观尺度（米级），层合板结构组成了具有不同特征结构的元件。
在微观尺度，纤维增强体单束（以下简称纤维束）的分布模型表示纤维束在基体中的分布方式。对于在三维空间中单向铺设的连续纤维束复合材料，谭祥军等人给出了一种基于单胞的纤维束分布模型，考虑到纤维的直径远小于其轴向长度，因此可以将纤维束模型由三维柱体问题简化为二维圆形截面问题，以正方形与正六边形作为纤维束的典型单胞形状，如下图1-1所示。对于三维编织复合材料的纤维束截面形状，李嘉禄等人给出了一种空间桁架结构的单胞模型，表达了三维多向编制工艺制成的不同复合材料纤维束在基体中的拓扑结构，如下图1-2所示。
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图 1-2 三维多向编制复合材料内部单胞简化模型
在细观尺度，复合材料层合板结构由多个单层的各向同性纤维层，以相同或不同角度铺放而成，J.LLORCA等人给出了一种层合板细观尺度的几何模型，由层（solidelement）和紧密粘合各层的界面（cohesiveelement）组成，界面不考虑其厚度，但是具有力学性能，如图1-3所示。哈尔滨工业大学的王涛在复合材料纤维铺覆方面进行了一定的研究，设计了一种产品曲面的纤维铺覆算法，如下图1-4所示。
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图1-3 细观尺度层合板几何模型
图 1-4 纤维铺覆模型
四、复合材料设计方法应用
1.试验井用玻璃钢管道本体及连接螺纹的强度设计
玻璃钢管道相较于其他的井用管道来说，有着性能好、便于施工以及维修便捷等一系列的优点，因此，被人们更加广泛地应用于一些较大的且维修过程相对复杂的工程，比如说化工、石油开采、煤矿业等等。它们在使用过程当中，往往都会采用交接连接的方式，但是玻璃钢在缠绕管道时受力螺纹的设计并没有得到人们的关注。要想解决这一问题，我们必须对试验井内的玻璃钢管道本体进行测验，比如说可以通过玻璃钢管道特殊要求进行深入分析，然后提出新的管道连接方式。通过计算机辅助设计来进行圆锥梯形螺纹的试验分析，尽可能地导出玻璃钢管道的受力公式，然后对相关数据进行分析，进而改变井用玻璃钢管道的连接方式。
2.井盖的结构优化设计
在进行复合材料井盖设计的过程当中，首先要参考再生树脂复合材料检查井盖的标准，然后再以这个标准为基础，对井盖的宽度、高度等进行优化设计。我们参照RTM制造井盖这一个工艺流程的各种特点，可以发现井盖在200KN的压力作用下产生的位移以及等效应力是确定参考值最小值的目标。我们采用大量的计算机模型进行计算分析，可以知道当外部载力为200KN时，井盖的位移以及等效应力都在一定程度上达到了最优化。这样的结构能够更好地满足井盖的设计要求，不仅在承重以及耐磨等方面有着很好的表现，在美观大方上也有一定的体现。目前这种经过优化设计的井盖已经投入生产。
结语
总体来说，将计算机软件应用于复合材料设计的过程当中，已经是时代发展的必然趋势，它主要受计算机科学技术突飞猛进的影响。将计算机以及计算机软件应用与产品的开发座椅辅助通过数据的分析与设计来制造更加符合现代工业需求的产品，成了必然发展趋势，这也是工业内部提高竞争力的方法。计算机辅助工程主要是将复合材料与传统材料的不同点进行分析，最终导出优化成品，从而使得复合材料产品更加完善。当然，复合材料的性能往往与工艺设计有着很强的联系，因此，在设计过程中，仿真分析在复合材料中也占据了较为重要的地位
参考文献：
[1]张汝光.复合材料结构设计的基本观念[J].玻璃钢，1997，02：26-31.
[2]于佳．计算机辅助复合材料RTM工艺规划系统设计与结构的研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2003．