對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),如何保證纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合纖維特性并且確保構(gòu)件在使用時(shí)安全可靠是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

 

       與金屬相比，纖維復(fù)合材料在載荷情況下的行為更復(fù)雜，所以不能簡(jiǎn)單地用纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)替代金屬結(jié)構(gòu)?？紤]到加工工藝以及纖維復(fù)合材料各向異性的原因，在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)不同的材料需要采取不同的途徑。設(shè)計(jì)纖維復(fù)合材料時(shí)必須符合纖維的特性，所以這些強(qiáng)化纖維必須在載荷方向排列整齊。

 

       拉桿在負(fù)載情況“左轉(zhuǎn)剎車(chē)”時(shí)所受的張力

 

       達(dá)姆斯達(dá)特的研究者們面對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何使纖維復(fù)合材料構(gòu)件的制造適合批量化生產(chǎn)。研究結(jié)果表明，采用熱塑性材料矩陣的有機(jī)板坯特別適合大型與面型構(gòu)件制造。材料在模具中按照構(gòu)件的形狀注塑成型。基于材料的熱固性塑料矩陣體系，可以考慮采用樹(shù)脂傳遞模塑方法加工構(gòu)件。

 

       LBF的研究人員強(qiáng)調(diào)，要設(shè)計(jì)出穩(wěn)定可靠的汽車(chē)底盤(pán)零件，需要考慮到所有與零件運(yùn)行有關(guān)的影響因素。構(gòu)件的載荷設(shè)計(jì)以在一個(gè)行駛周期中測(cè)量輪獲取的載荷集為基礎(chǔ)。這些數(shù)值組被換算成各個(gè)構(gòu)件所受的外力。臨界駕駛行為由駕駛行為導(dǎo)出，這些臨界值則作為假設(shè)載荷。按照研究人員的進(jìn)一步解釋，不同的駕駛行為在載荷最高的區(qū)域引起了錯(cuò)綜復(fù)雜的多軸向負(fù)荷狀態(tài)，考慮到行駛安全，需要對(duì)這些狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

　　

       優(yōu)化的敷層結(jié)構(gòu)

 

       研究人員對(duì)所采用的材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)研究成果構(gòu)建了材料模型基礎(chǔ)，并據(jù)此對(duì)壽命進(jìn)行評(píng)估。借助于數(shù)字仿真方法，研究人員對(duì)各種載荷區(qū)域加以識(shí)別，結(jié)構(gòu)中的纖維增強(qiáng)材料需要根據(jù)載荷方向變化。研究表明，為了支持局域纖維增強(qiáng)，編織層需要采用敷層結(jié)構(gòu)。為了使編織層最佳適應(yīng)應(yīng)力載荷，對(duì)敷層構(gòu)造根據(jù)局域纖維方向加以數(shù)字優(yōu)化。

 

       光線揭示損傷

 

       高負(fù)載情形會(huì)使構(gòu)件結(jié)構(gòu)受損并縮短構(gòu)件的壽命，例如發(fā)生交通事故或者在路況很差的路面超載等。借助于由纖維光學(xué)傳感器和光電纜組成的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)，研究人員可以在線監(jiān)控這些受損區(qū)域。當(dāng)構(gòu)件被監(jiān)控區(qū)域產(chǎn)生了一條裂縫并且損傷加重時(shí)，該區(qū)域的變形則加劇，而纖維光學(xué)傳感器會(huì)捕獲這些變化。在超出所設(shè)定的最低值時(shí)，司機(jī)會(huì)得到相應(yīng)的警報(bào)顯示。

 

       在纖維復(fù)合材料中的阻尼振動(dòng)

 

       承受動(dòng)態(tài)載荷的輕量化結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生振動(dòng)，通常情況下會(huì)采用減振器之類的裝置減少振動(dòng)。采用此種方法的缺點(diǎn)是需要額外的重量和空間。為此，弗勞恩霍夫LBF研究所的研究人員通過(guò)采用被動(dòng)元件布線的壓電轉(zhuǎn)換器集成了減振器。其原理是采用感應(yīng)線路和轉(zhuǎn)換器一起作為諧振線路，從而取代了機(jī)械減振器。為了實(shí)現(xiàn)高效，LBF研究者們?cè)诶w維復(fù)合材料構(gòu)件的研發(fā)過(guò)程中采用了這個(gè)半主動(dòng)系統(tǒng)，這樣就可以加工出同時(shí)具有重量低、阻尼性能良好的構(gòu)件。