高级复合材料制造：梁弯曲基础
在使用 ATL/ 确定决定零件强度的材料和设置之前AFP 和复合材料，了解影响其强度的不同方面背后的物理和理论很重要。在本节中，我们将介绍 3 个为强大的 ATL/AFP 部件奠定基础的概念。
梁弯曲基础
ATL/AFP 零件很少是 100% 碳纤维，因为仅加固承受最大力的部分有利于节省成本和材料。这就是为什么大多数复合材料部件的构造更像三明治，最外面的部分是复合材料，内部结构是核心。
核心的主要目的是将零件增加到所需的厚度，而不是用昂贵的碳纤维来构建它。那么，壳厚度或芯密度对零件强度的贡献更大吗？答案源于简单的梁弯曲理论。
梁弯曲理论的关键要点是梁的顶面和底面在弯曲时承受的力最大，我们可以通过仅在这些极端情况下添加材料来优化梁的强度以适应其重量，并尽可能少地使用材料。
假设我们有一个简单的梁，像一座桥，两侧支撑，重量集中在端部支撑之间，如下图所示。
图 1：在两点支撑的梁的基本加载情况，重量在中心
我们可以将此模型抽象为光束体验的 3 个接触点 - 一个用于权重，两个用于支持。这形成了一个三角形，像这样，接触点变成了顶点。
图 2：简化接触点创建一个三角形，力将在其中施加
当重物对这个梁施加一个力时，想象一下这些力随着这个三角形结构分布。两个成角度的段被压缩，水平段承受张力。
图 3：力沿三角形的长度分布
力沿三角形的长度分布。水平力的大小最终取决于梁的厚度。随着梁变厚而载荷保持不变，三角形的底角增加，从而减小了梁上的水平合力。当我们像这样增加梁时，我们可以看到施加在支撑上的力的角度变得更加垂直：
图 4：随着光束变厚，三角形变得更高。因此力分布发生变化
随着这些角度的增加，合力减小。这意味着较厚的梁将能够比较薄的梁更容易抵抗配重的弯曲张力。常识是，较厚的梁比较薄的梁能够支撑更多的重量，这一理论解释了原因。
梁弯曲理论的一个相关方面描述了弯曲梁上的最大载荷施加在其极端处。施加到梁上的弯曲力分解为所谓“中性轴”两侧的拉伸和压缩力，中性轴是梁中没有承受载荷的平面。
在这种情况下，中性轴下方的材料承受拉伸载荷，中性轴上方的材料承受压缩载荷。
图5：离中轴越远合力越大此信息表明，如果优化梁的强度和重量，材料对梁的顶面和底面影响最大部分，而中间承受的剪切力相对较小。
尤其是在 ATL/AFP 中，拉伸载荷比压缩载荷更重要且更容易优化，因为每一层纤维的行为都像一根线（稍后会详细介绍）。
这解释了为什么圆形和箱形管、I 型梁和 T 型梁在建筑中如此普遍；它们仅通过在承受最高应力的地方添加材料来减轻重量。圆管可以承受来自四面八方的载荷，因为无论从哪里施加力，都存在两个极端的“表面”。
一个盒子可以承受来自四个侧面的负载，因为无论从哪一侧施加负载，都有另一侧准备好承受张力。然而，工字梁只能承受来自两侧的极端力，同样，T 梁仅在承受来自一侧的载荷时才有效。
图6：结构梁不同截面
不同类型的梁根据它们期望的加载方式在不同区域切割材料。因此，在考虑弯曲零件时，请记住以下两点：
粗梁比细梁强
- 弯曲的梁在其表面承受最高载荷
既然我们已经讨论了梁弯曲的基础知识，可以通过设计关键部件（例如飞机机翼、船桅甚至汽车底盘）来进一步扩展该理论。一旦牢牢掌握，复合材料的可能性几乎是无限的！
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