1.实验目的
（1）掌握根据性能要求设计模型的方法。
（2）熟悉原材料的切割与剪裁。
（3）学会根据需要选择合适的成型方法。
（4）熟悉模型的制作方法和工艺。
2.模型要求
（1）桥梁几何形状。
桥梁的最小尺寸为：长600 mm，宽100 mm（见图6-1）。桥梁路面宽度为90 mm，且路面要平整、连续且不透明，必须能够承受一辆宽为90 mm、长为100 mm、高为75 mm的“小车”连续运动（见图6-2）。该车质量为5 kg，必须保证它能从桥的一头运动到另一头且不能损坏桥梁的桥面。桥梁可以是拱形的，但是桥面上“拱”的垂直高度变化不能超过50 mm，整个桥梁的净高度不能超过120 mm。
图6-1 桥梁测试加载示意图
图6-2 负荷小车等容线示意图
为了配合测试端柱，桥梁任一结构的宽度不能超过150 mm，桥梁中间必须无障碍，以便测试仪器杆和“小车”可以定位施载。桥面支撑点以下不允许有任何结构，必须有一个足够宽阔的空间容小船通过。桥梁跨距的中点或者四分点处不允许设置支撑柱。最后，由于要测试垂直载荷的大小，端柱不能承受任何水平力，不能使用氦气来达到人为减重的目的。
（2）桥梁测试。
测试时在桥梁跨距中点机械施载（加载速度为5 mm／min），桥梁形变量（挠度）由十字头移动位移测定。最大载荷P为破坏时机械施载或者十字头变形达到25 mm时的载荷，在两者之间取最先出现的值。
（3）桥梁评价。
桥梁载荷不小于13 k N时，按照桥梁所能承受的质量对其依次排名。
2）超轻复合材料机翼模型
（1）机翼几何形状。
机翼由具有锥形截面的左右两部分及翼梢小翼组成，尺寸约为4英寸×36英寸（1英寸=25.4 mm），具体如图6-3所示。图中给出了机翼截面形状的最大情况。机翼的左右两部分完全一样，翼梢小翼在两端对称分布。机翼的上下表面均为平面，组合后下表面为平面，上表面则不必为平面。不允许有超出最大机翼剖面（见图6-4）的结构存在。
（2）机翼测试。
机翼的测试方法为将扭矩施加在翼梢小翼上，同时在全部机翼结构上（3点弯曲模式）施加中心载荷。当有载荷P作用时（加载速度为5 mm／min），最大允许挠度（形变）为2.0英寸，通过跨距中心（即载荷点）十字头的移动位移测量。注意，当没有载荷P和扭矩施加在翼梢小翼上时，十字头的位置记为0，2.0英寸就是相对于该0位置计算的。机翼将支撑在23英寸的跨度上（与桥梁支撑相同）。中心载荷通过一个宽为1.0英寸的接箍逐渐施加在机翼的中心部位，此过程接箍不旋转，只有垂直移动。在该载荷施加前，每个翼梢小翼将被施加一个4.5 N·m的力矩。当施加载荷时，该力矩保持不变。最大载荷P定义为十字头形变为2英寸过程中的最大载荷或者失效时的施载，两者取较小值。没有水平作用力直接作用在机翼夹具或者载荷接箍上。翼梢小翼失效定义为翼梢小翼载荷小球的作用点距离其最初所在的水平面下降了6英寸。
（3）机翼评价。
机翼载荷大于11 k N时，按照机翼所能承受的质量对其依次排名。
图6-3 机翼测试加载示意图（单位：英寸）
图6-4 机翼剖面图（单位：英寸）
3）轻稳之柱模型
（1）轻稳之柱几何形状。
柱的长度必须不小于780 mm，柱的截面形状不限（可以是矩形、工字型、圆形等），但截面外接圆最大直径必须不大于50 mm。为便于放置试样，要求模型两端必须是平行平面并标出两平面的几何中心。
（2）轻稳之柱测试。
图6-5 轻稳之柱受力
加载测试在万能试验机上进行，该试验机上下两端为铰支球座平面压头。模型垂直立于下球座平台上方，上球座压头与立柱上端面接触加载，以2 mm／min的加载速率施加压力，当载荷下降为最大载荷峰值的30%时结束测试，或施加载荷超过设计载荷65 k N以上时结束测试（加载受力见图6-5）。
（3）轻稳之柱评价。
柱的设计载荷不小于65 k N时，按照柱所能承受的质量对其依次排名。
4）超轻复合材料压缩弹簧
（1）弹簧的几何形状。
弹簧的外形结构不限，可以是碟形弹簧、环形弹簧、板弹簧或螺旋弹簧等，只要满足作用力与反作用力同轴，没有附加弯矩或扭矩的各种结构都可以。弹簧的外形尺寸要求：长、宽、高应控制在150 mm×150 mm×250 mm矩形柱的棱廓包络线范围内。
（2）弹簧测试。
为了实施压缩加载，弹簧上下两端面应相互平行且能较好地接触试验机，作品尺寸范围和加载方式如图6-6所示。
（3）弹簧评价。
①弹簧能处于正常工作状态的定义为：弹簧在承载过程中必须处于工作状态，即在承载过程中不会因为弹簧部件之间发生接触等原因而导致弹簧的刚度突变而使其承载能力大幅增加，弹簧的刚度保持稳定；弹簧具有良好的形变恢复能力，在测试结束以后，弹簧长、宽、高的尺寸较测试前变化均不超过10 mm。若弹簧不符合上述两点要求，则视为无法正常工作，作品判定为无效。(www.xing528.com)
②弹簧的设计最大载荷大于3 000 N，最大载荷条件下不发生破坏。
③弹簧的设计工作形变不小于60 mm（不是极限形变）。
④在达到上述性能要求的情况下，弹簧越轻越好。
5）超轻复合材料吸能柱
（1）吸能柱外形要求。
使用单向碳纤维预浸料，精心设计，制作完成一件管状复合材料吸能柱。吸能柱的外形需控制在100 mm×100 mm×80 mm矩形柱的棱廓包络线范围内。为了能稳定地加载，吸能柱的两端必须是平行平面，且吸能柱的高度统一为80 mm（最大误差不得超过1 mm）。
图6-6 弹簧加载示意图
（2）吸能柱性能要求。
①吸能柱出现稳定的压溃变形，不得出现整体欧拉失稳的情况。
②峰值载荷不得低于80 k N，不得高于120 k N，经过峰值载荷后，最小载荷不得低于25 k N，形变位移达到50 mm。
（3）吸能柱测试。
加载测试在万能试验机上进行，模型垂直立于平台上方，压头与吸能柱上端面接触加载，以5 mm／min的加载速率施加载荷至位移达到10 mm，随后以8 mm／min的加载速率加载，位移达到50 mm时停止加载，结束测试。加载平台、压头和吸能柱的放置方式如图6-7所示。
（4）吸能柱评价。
图6-7 吸能柱加载示意图
在吸能柱满足外形和性能要求的前提下，对载荷-位移曲线进行积分，获得吸收的能量，该能量与制品质量的比值为比吸能（单位为J／g，保留一位小数），以比吸能的高低为依据对吸能柱依次排序。
3.实验仪器及原料
仪器：干燥箱、切割机、模具、真空辅助成型设备、剪刀、钢尺、米尺、游标卡尺、砂纸等。
原料：单向碳纤维环氧树脂预浸料、PMI泡沫。
4.实验步骤
（1）选定模型形状，确定尺寸。
（2）分析模型受力情况。
（3）按力学性能要求指标确定纤维铺层的方法，并计算铺层数。
（4）加工芯材、剪裁纤维预浸料。材料切割与剪裁过程中，规范操作，注意安全。
（5）制作模具，根据需要选择成型方法及工艺。
（6）固化成型。
（7）模型后加工及检验。
5.实验记录
（1）将造型图纸展示在实验报告中。
（2）记录材料加工过程并展示相关图片。
（3）展示模型成品图片，并测量、记录模型性能。
6.思考题
（1）如何设计一个好的模型？
（2）模型制作过程中如何提高界面处黏接性能？
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