玻璃钢
2009年第1期
复合材料的“生态性能”
王强华编译
（上海玻璃钢研究院有限公司，上海201404）
摘要
在复合材料设计中，一种材料的性能是用技术质量标准或准则根据其固有的力学性能来进行评价。环境和健康的影响也是重要的准则，但这些还没有在性能试验中被定义和考虑。经济型设计也是基于对环境性能的评估，为了达到此目的，需要进行这方面的工作。
在高性能复合材料结构领域中，设计人员的主要目标之一是开发轻质结构零部件，它们有足够强度，在操作条件下安全运行，可抵抗其在使用过程中碰到的比较严重的静态和动态载荷，并阻止强度、疲劳和稳定失效现象发生。设计人员还把他们的研究集中于怎样来优化比刚度（E/ρ）和比强度（σ/ρ），以获得高结构性能，同时使设计经济。已表明为达到这些目标，满足高质量设计要求，需要在设计过程的早期进行性能试验，这样就能为所要求的力学、热、物理或化学性能选择合适的材料。例如，在力学性能中，选择一种材料通常是基于其机械抵抗性（弹性、强度、断裂、疲劳等）是否足以满足预期的操作条件。在专门试验室里进行这种性能试验，并采用适当的标准条件，就能很好的保证达到这些性能。
为了进一步解释这个方法，让我们考虑一种在单轴机械拉伸下简单标准的材料性能试验，选择该试验是因为它是最容易最方便的力学试验。为了更好地理解，更清晰地解释，我们以传统的应力-应变图展示结果，图中x轴表示应变ε，y轴表示应力σ。但为了清晰地阐明在不同连续阶段材料的性能，我们考虑弹性-塑性材料（图1）。作为结果，图1中应力-应变曲线显示线性和非线性范围、塑性范围和相应的破坏点。但是没有给出有关环境和健康保护的材料性能信息。因为我们的方法是基于这样的讨论，我们考虑到在最后结果中缺乏这种信息就可能会产生长期或短期的针对人类健康和环境的问题。为了解决这些问题，获得一个可持续的发展方法，我们必须更详细地考虑环境和健康的，并把它们和试验结果整合在一起。
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破坏
非线弹性
线弹性
弹性范围塑性范围
图1应力-应变关系，不含涉及健康和环境的材料性能信息
本文中，我们提出了一种创新的方法，它允许在材料选择过程的早期就可以决定是否认可或拒绝一种建议的材料。该法将给设计过程带来明显的好处，它以环境和健康的新准则为基础，我们称之为“生态系数”。它们将被代入标准的技术材料性能方程中，以表示环境方面的因素。当在材料性能试验中考虑了生态系数，那么就可以考虑使用“生态性能”这一术语。该法可以被看作进一步走向把环境因素整合于复合材料产品开发过程中。本文中，我们将专门集中于力学性能的单轴拉伸试验。但是，当前方法仍有效，可应用于其它类型的材料表征。
1确定生态系数
根据参考文献，生态设计模型图代表可持续的设计功能，在质量、环境和健康函数之间
形成交叉点。该图显示只有F子集将达到生态条件，它可以进行一个优化过程。
如果我们对每个主函数赋予一个代表相互反应程度的主系数，它可以被认为：α是一个主要系数，定义按照复合材料质量考虑来评估技术性能的准则β是一个主要系数，定义按照环境考虑来评估材料性能的准则γ是一个主要系数，定义按照健康保护考虑来评估材料性能的准则
在表征阶段有几个连续的子阶段，我们发现对每个子阶段赋予一个子系数αi∈[0,1](i=1,m)会很方便，它将在质量控制方面提供通过的可能性。这样评估和材料性能相关的质量函数可以用一个主系数α来衡量，它可以写成：
且
如果我们用相同的方法对其它两个函数进行处理，环境主系数β和健康主系数γ可分别写成下式：40
且且
按照子系数值ai（i=1，m），bj（j=1，n）和ck（k=1，p），主系数α、β和γ可能趋向于0或等于1。当三个主系数的乘积接近于1（α×β×γ≈1），就达到生态性能的要求。但是，要注意的是单独一个系数的失败会系统地引起材料被否决。例如，图2显示对比极限值下这些系数和其位置。
健康
质量
图2针对一些生态系数值的图例
环境
2整合质量、健康和环境方因素于性能试验
通过考虑主系数的乘积来评估环境和健康条件的风险。为了简化，α×β×γ可以被减少，
并用一个系数λ代替，λ定义为：
该系数可代入到材料的标准力学表征方程式中。因此，通过综合健康和环境因素于性能试验中，扬氏弹性模量E（由胡克定律决定，且从实验结果推导出）必须适应实际情况。有了这个新的E值，从理论观点看，胡克定律仍然有效。但是这次它写成：
式中是生态弹性模量。E字母上面三个点是图的简单描述，反映质量、健康和环境函数的相互作用。换而言之，三个点表示三根“柱”，表现了持续发展概念的基本要素。
考虑到这个方向，模量效率可以通过计算以下的弹性生态效率比来进行评价：
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当λ趋向于1时，分子近于分母E≠0。此比率要进行一个优化处理，目标是达到其最大值。如果该值未能满足持续发展要求，通过改变主系数来寻找可能的新的替代物，直到达成足够的一致。可是仍有必要对优化这些系数进行深入研究。
3先进的数学生态方程
在高性能复合材料结构中，结构零部件主要用单向纤维增强板制成，其中板轴线与主坐
标轴系统一致。对于一个单向纤维增强正交板，生态比率与线弹性力学性能的工程常数有关，可在主坐标轴系统内被定义为：
式中Ei是i、i方向（i=1，2和3）经典且可持续发展的弹性模量；、Gij是i-j面内（i-j=2-3，
3-1和1-2）经典且可持续发展的剪切模量；λλνi、ij是弹性和剪切的生态效率比；ij是泊松比，针对i方向受应力时j方向的横向应变。
根据广义胡克定律，对于一个正交材料（单向层板）的应力应变关系可以写成压缩的矩阵形式：
式中是符合生态的6×6阶矩阵。此外，该层板生态刚度矩阵是符合生态的6×6阶矩
阵的逆矩阵：
有了这些生态假定，积层复合材料结构元件的组成方程可以用经典层板理论推导出来。当然，得出的结果在实际中仍需讨论，但理论上可接受。而且，把这些可持续结果和不考虑环境、健康得出的经典结果进行比较，能产生一种估计的差值，该值可被最小化，以获得标准和生态设计要求所需要的适当值。推导用于复合材料结构分析的数学生态方程式超出本文的范围。
4结论
选择一种复合材料仅基于技术质量准则可能会产生严重的短期或长期的环境与健康问
题，这些准则只是从特定的力学性能（弹性模量、极限强度、断裂强度和疲劳强度等）上来42
评价复合材料的性能。我们感到把一些严格的生态因素整合于材料性能试验中，作为在设计复合材料结构元件过程中一个重要步骤，这将对世界社会经济利益是一个积极的贡献。本文中，我们定义和发展了新准则，它以环境和健康系数为形式。这些系数可分解进入复合材料性能试验中，可在复合材料产品设计非常早的阶段认可或否决所建议的材料。它们还可用于经典层板理论，并整合于未来有限元计算程序中。通过比较两种结果，设计人员可以更好地利用环境性能的评价。这种创新的方法可以帮助高强度材料领域的设计人员和工程师选择正确的材料，用于制造真正的生态友好型复合材料产品。“走向绿色”可以帮助复合材料公司在竞争激烈的国际复合材料市场上生存下来。
（《JEC》2008，No.42:58-60）
Repower6MW
海上风机成功组装
德国RepowerSystem公司在不来梅港其首三台6兆瓦系列风力发电机组成功组装。这三台离岸风力发电机组将与2009年初在德国和丹麦海域上安装。
Repower公司与德国RWEINNOGY能源公司将可能在近期签订一个框架性合同。在未来的时间里，250台单机容量为6兆瓦的Repower机组将可能出售给RWEINNOGY公司。
（《风电简报》）
我国首个海上风力机组进入样机试验
由大连重工起重集团为上海东海大桥海上风电场提供的3兆瓦风力发电机组，1月15日起进入样机试验阶段，这是目前国内单机容量最大的海陆两用兆瓦风力发电机组，也是我国首个海上项目。
至此，大连重工起重集团手持风电机组供货合同5000多套，全部生产后将增加产值达400多亿元，成为企业持续发展的新增长点。
据了解，大连重工起重集团在我国首个海上风场项目上海东海大桥海上风电场兆瓦级风力发电机组招标中，成功与上海东海大桥风力发电公司签订了34台目前国内单机容量最大的3兆瓦海陆两用风力发电机组。经过一年多自主研制创新，具有自主知识产权的3兆瓦风机样机试验成功、投产并网发电后，将为上海市输送清洁高效的能源。
（《风电简报》）
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