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先进复合材料的CAE分析   先进复合材料数据技术与体系   要想应用CAE技术提升我国先进复合材料技术的发展,基础条件和重要前提是研究、发展和建立与此相适应的复合材料数据技术和数据体系。   1 复合材料数据体系建设是实现数字化技术的基础   科学数据是科技创新的重要源泉。基础性科学数据作为科技活动发展的基础和成果,是科学技术滚动发展的平台。一个好的科学思想、理论假说和应用技术,必须在掌握大量前人资料和科学数据的基础上才能形成,同时也必须在大量相关数据的支撑下才能被证实。对科学数据进行系统化的综合分析,进而促进新的科学思维的产生,是实现科技创新的重要方式,也有利于推动交叉学科的发展。特别是当代科学技术的发展明显呈现出大科学、定量化和注重过程研究等特点,越来越依赖于系统的、高可信度的基本科学数据及其衍生的数据产品。而科学研究工作本身也就是科学数据的生产过程。   在材料应用研究工作中,包括先进复合材料在内,材料数据作为现有研究成果的体现和未来研究工作的依据,在整个科研工作中都起着非常重要的作用。但是,材料数据本身作为一种资源还没有得到应有的重视、开发和利用。   2 先进国家的国家级材料数据管理体系和运行模式   先进国家非常重视材料数据管理和应用系统的建设和维护。到目前为止,在美国国防部国防技术信息中心(DTIC)的领导下,美国已建立了13个国家级的数据系统,形成了庞大的国防工业数据管理和应用体系,为美国国防工业保持世界领先的竞争力和可持续发展立下汗马功劳。   分析美国在材料数据管理和应用技术方面的先进经验,可以总结出以下3个重要启示:   (1)由政府及国防部积极推动和资助,由AMPTIAC这样的专业机构进行商业化运作和管理,具有完善的组织体系;体系的发展伴随着新材料的出现不断扩充、兼并、组合和完善;网络化数据管理已成为主要手段,实现了跨时间、跨地域的数据共享。   (2)材料数据管理范围涵盖了金属及金属基复合材料,陶瓷及陶瓷基复合材料,高分子结构及高分子基复合材料,电子、光学及光电子材料,环境保护及特殊功能材料等五大类;既有处于试验和开发阶段的材料数据,也含有许多已知、成熟、有价值的材料信息。   (3)由材料和信息技术2方面专家合作进行数据收集、评估、包装、标准实施、数据库开发等工作。注重服务,服务范围包括技术咨询、调查、培训,相关材料技术报告的汇编、出版和发行等。   3我国有关工程材料数据库的历史经验   我国国防工业也曾研究建立过各种材料数据库,有过一些经验教训。首先,常把建设数据库作为一个独立的课题或一个单位内部的科研项目,没有面向用户、面向市场,也没有考虑商业化的运作,因此市场和用户的认知度低,难于推广。其次,由于认识的水平、数据的质量还不够高,致使低质量或无用的数据压库,数据库不能发挥效益。数据库系统的开发也没有充分利用IT行业的发展成果,数据库本身的技术水平低,网络化水平低,因此数据库的服务功能弱、寿命短。最后,数据管理的诸多方面,如系统性、准确性、可靠性、可追溯性、安全性、知识产权保护、授权访问应用等未予以充分考虑,数据来源和应用范围受到了制约。   4复合材料数据的特殊性   根据美国军用复合材料手册(MIL-HDBK-17F),先进复合材料技术和复合材料数据的特点包括:   (1)复合材料包括基体和增强材料,性能表征必须从组分开始。   (2)由于复合材料的失效机理与金属材料完全不同,金属的性能测试方法基本上都不适用于复合材料;同时复合材料还有很多特殊的性能表征要求,特别是湿热和抗冲击性能。   (3)复合材料是可设计材料(不同比例、不同纤维方向的铺层),其基本结构元素——层压板的性能表征非常复杂。   (4)复合材料的结构与材料同步形成,材料和工艺的变异性对材料(同时也是结构)性能具有重要影响。   (5)国际范围仍缺乏复合材料及其结构的设计和使用经验,必须采用积木式的试验验证,因此试验种类和数量远超过金属。   (6)复合材料性能数据必须包括:材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构证实;除单独性能表征的标准化外,针对材料筛选、材料取证、材料验收、材料等同性和结构证实等分别给出试验矩阵。   (7)MIL-HDBK-17F还规范了不同批次、不同时间、不同实验室的同一复合材料体系试验结果的数据可追踪性,不同厚度数据的归一化处理,异常数据的剔除原则,数据统计处理的方法等原则和操作步骤。   5 复合材料测试技术与标准体系   建立复合材料数据库,复合材料测试技术标准必须先行。   由于复合材料性能测试和表征是复合材料及其结构研制与生产的重要组成部分,如此复杂多变的内容对其质量保证和结构验证有着极其重要的影响,同时在研制、生产成本以及时间成本上占有很大比重,因此复合材料性能表征及其标准化一直是复合材料领域的主要研究方向之一。   标准化包含2方面内容,即性能测试的范围和方法(包括试验标准、数量及数据处理方法等)以及针对不同应用情况建议的试验矩阵。   随着复合材料及其结构研究的深入以及应用范围的不断扩大,标准化的研究也在不断深入和发展。MIL-HDBK-17F及ASTMD30下属复合材料标准不断地更新,反映了美国复合材料领域在这方面的研究进展。典型的例子是单向层压板拉伸和压缩性能的测定,单向带直边矩形试样对制备状态有严格要求,而且破坏部位往往会在非测量段(夹持区),使得试验结果偏低,分散性大。采用MIL-HDBK-17F的正交铺层试样试验和折算方法,对试样制备要求低,破坏部位一般出现在测量段,而且分散性小。另外,压缩性能一直是最难测量的,国内迄今仍在执行1983年制订的标准,MIL-HDBK-17F的多种新方法比国内目前现在使用的方法好得多。
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