一種新型輕質(zhì)高強(qiáng)應(yīng)急路面器材的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 彬，錢 坤，張 琰

（1. 江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會(huì)，南京 210002）

一種新型輕質(zhì)高強(qiáng)應(yīng)急路面器材的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 彬1，錢 坤1，張 琰2

（1. 江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)協(xié)會(huì)，南京 210002）

利用有限元軟件ANSYS建立路面結(jié)構(gòu)的分析模型，根據(jù)加強(qiáng)桿及路面整體的受力分析結(jié)果，對(duì)復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)路面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：3 種多孔加強(qiáng)桿應(yīng)力分布和變形趨勢(shì)基本一致，僅在前后車輪位置附近產(chǎn)生應(yīng)力和變形。最大應(yīng)力出現(xiàn)在前輪作用處，最大應(yīng)力均為291.667 kPa；最大位移出現(xiàn)在后輪作用處，其中3 孔結(jié)構(gòu)位移最小，但位置基本一致。經(jīng)綜合分析比較，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為應(yīng)急路面器材加強(qiáng)桿件應(yīng)采用60×30 mm 3 孔箱體結(jié)構(gòu)，路面桿件間距為60 mm。

應(yīng)急路面器材；復(fù)合材料；輕質(zhì)高強(qiáng)；有限元軟件；分析模型；受力分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

應(yīng)急路面是指可以快速鋪設(shè)，能夠滿足通用車輛、工程作業(yè)機(jī)械等和自行軍事裝備等通過的臨時(shí)路面[1]。和平時(shí)期的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和地區(qū)開發(fā)以及戰(zhàn)時(shí)的交通運(yùn)輸保障、自然災(zāi)害時(shí)的救災(zāi)活動(dòng)都可能需要修建應(yīng)急路面。我國(guó)地幅遼闊，各地地質(zhì)條件復(fù)雜，存在大面積的松軟地面區(qū)，車輛在行進(jìn)中常常面臨很多條件惡劣的地形，例如泥濘道路、沙漠地形、沼澤地形、草地和雪地等[2]，這些地形具有密度小、壓縮性高和抗剪切強(qiáng)度低的特點(diǎn)[3]，嚴(yán)重影響了通用車輛、工程作業(yè)機(jī)械等的通載?？梢哉f，有時(shí)修建必須滿足一定要求的應(yīng)急道路，成為整個(gè)任務(wù)完成的關(guān)鍵。

從應(yīng)急路面器材的發(fā)展方向來看，世界各國(guó)都在努力使現(xiàn)有的器材向“輕量化”方向發(fā)展，即在實(shí)現(xiàn)相同的保障效果下，應(yīng)急路面器材面密度更小，效費(fèi)比將會(huì)更高。我國(guó)目前現(xiàn)有的傳統(tǒng)路面器材構(gòu)件多為金屬材料所制，其中主要以鋼質(zhì)材料為主，通過鉸接將鋼板連接而成[4～7]，而國(guó)外則以鋁合金材料為主。鋼材作為一種已被廣泛應(yīng)用和接受的材料，其優(yōu)點(diǎn)顯而易見，它的強(qiáng)度很高，彈性模量高，性能穩(wěn)定等。但同時(shí)，它的缺點(diǎn)也非常突出，例如質(zhì)量大、耐腐蝕性差、維修保養(yǎng)費(fèi)用高等，這些缺點(diǎn)嚴(yán)重影響著應(yīng)急路面器材“輕量化”水平的提升，從而使得如何將輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料在應(yīng)急路面器材上應(yīng)用成為目前國(guó)內(nèi)外積極發(fā)展研究的主流方向。本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一種新型輕質(zhì)高強(qiáng)應(yīng)急路面器材，可滿足沙灘、泥濘、草地、淺灘等易下陷地區(qū)的快速鋪設(shè)要求，以及構(gòu)筑舟船海灘卸載、直升機(jī)臨時(shí)停機(jī)坪和水上救援平臺(tái)等臨時(shí)使用。

1 技術(shù)方案

1.1 設(shè)計(jì)原則

技術(shù)方案遵循以下原則：

⑴ 綜合考慮沙灘、沼澤、松軟灘地的應(yīng)用需求。

⑵ 保證各種環(huán)境下使用的綜合效率，根據(jù)使用環(huán)境條件，既可以機(jī)械化鋪設(shè)、也可以人工鋪設(shè)。

⑶ 路面器材要求質(zhì)量輕和體積小，便于運(yùn)輸、鋪設(shè)和撤收。

⑷ 考慮到使用條件的多樣性，要求路面器材為能夠人工拼裝的組合式路面，并且零部件之間具有較高的互換性。

⑸ 使用輕質(zhì)高強(qiáng)的新材料，利用它們的優(yōu)良特性，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在滿足使用要求的前提下，盡量減輕應(yīng)急路面器材的質(zhì)量，提高裝備的使用性。

1.2 總體設(shè)計(jì)構(gòu)思

1.2.1 工藝流程設(shè)計(jì)

輕質(zhì)高強(qiáng)應(yīng)急路面器材設(shè)計(jì)的工藝流程如圖1所示。

圖1 輕質(zhì)高強(qiáng)應(yīng)急路面器材工藝流程設(shè)計(jì)圖

原料選擇：應(yīng)急路面器材需要承受輪式或履帶式車輛的多次反復(fù)碾壓，所以首先必須滿足的是，在大應(yīng)力下多次使用后“不毀壞”，即具有較大拉伸強(qiáng)度；同時(shí)，壓拉延長(zhǎng)后需要“自然恢復(fù)”，即具有較大彈性模量；其次，要考慮質(zhì)量適中，以及抗腐蝕、耐老化等使用要求。因此本設(shè)計(jì)織物主體主要采用高模高強(qiáng)聚乙烯纖維制造而成，車轍部位則采用芳綸作為主材，提高路面的附著力和加強(qiáng)桿支撐桿在滿足剛度要求下盡可能地減重。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)急路面高承載、抗斷裂、抗撕裂性能要求，主體路面體織物設(shè)計(jì)為多層加厚袋狀織物。機(jī)織成柔性間隔管腔狀斜紋組織結(jié)構(gòu)，織物一次成型。加強(qiáng)桿采用連續(xù)拉擠成型的方法制造。加強(qiáng)桿設(shè)計(jì)為3 腔閉合箱體式結(jié)構(gòu)。

1.2.2 結(jié)構(gòu)組成

輕質(zhì)高強(qiáng)應(yīng)急路面器材主要由路面體織物、加強(qiáng)桿、系留和附屬裝置等組成。

⑴ 路面體是路面復(fù)合的基本載體，主要用于通行車輛車輪或履帶與松軟海灘隔離，提高地基承載能力，改善松軟岸灘通行能力。主要由織物、錨固孔圈、邊膠帶、接頭、涂層等組成。如圖2所示。

⑵ 加強(qiáng)桿是路面的主要受力體，為碳纖維增強(qiáng)樹脂支撐桿，其沿路面體織物緯向以相同間隔距離均勻穿插分布，從而實(shí)現(xiàn)了路面體受壓后的均勻及整體沉降。如圖3所示。

⑶ 系留裝置主要用于路面系留固定樁的植入和拔除。由固定樁、樁帽、起樁器、鎬、錘等工具組成。固定樁包括圓樁和板樁兩種。附屬裝置主要用于配合作業(yè)與使用，由牽引布、接頭桿、牽引展開繩、捆扎帶、防水包裝袋等組成。系留和附屬裝置如圖4所示。

圖2 路面體織物機(jī)織圖

圖3 加強(qiáng)桿

圖4 系留和附屬裝置

2 有關(guān)計(jì)算

根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和我國(guó)裝備技術(shù)狀況的實(shí)際，分析現(xiàn)有路面器材的優(yōu)缺點(diǎn)，利用有限元分析軟件ANSYS建立路面結(jié)構(gòu)的分析模型，模擬了路面在受載狀況下的變形特點(diǎn)，研究提出一種新型輕質(zhì)復(fù)合路面，既可滿足人工搬運(yùn)、舟艇或車載運(yùn)送、以及空運(yùn)空投等運(yùn)輸方式，保障通用車輛、工程作業(yè)機(jī)械和自行軍事裝備通載的需求。我們的分析思路是：按照由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的原則，首先將加強(qiáng)桿分離出來進(jìn)行單獨(dú)分析，然后進(jìn)行路面的整體分析，最后根據(jù)加強(qiáng)桿及路面整體的受力分析結(jié)果，對(duì)輕質(zhì)高強(qiáng)路面的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析指導(dǎo)。

2.1 加強(qiáng)桿截面形狀的確定

由材料力學(xué)中梁的正應(yīng)力強(qiáng)度條件：

式中，Mmax為梁的最大彎矩；Wz為橫截面的抗彎截面系數(shù)；[σ]為材料的許用彎曲應(yīng)力。

可知，梁的抗彎截面系數(shù)愈大，橫截面的正應(yīng)力就愈小，也就是說，梁的抗彎能力就愈強(qiáng)；另一方面，由材料的使用來說，梁橫截面的面積愈大，消耗的材料就愈多。因此，梁的合理截面應(yīng)該是用最小的截面面積A，使其有更大的抗彎截面系數(shù)Wz?？梢杂帽戎礧z/A來衡量截面的經(jīng)濟(jì)程度。這個(gè)比值愈大，所采用的截面就愈經(jīng)濟(jì)合理。另考慮到加強(qiáng)桿的受力特點(diǎn)及平衡性，應(yīng)選用正截面結(jié)構(gòu)。

對(duì)截面積相同的不同形狀正截面（圓桿、矩形桿、正六角桿）進(jìn)行分析：

表1 不同截面形狀的抗彎性能比較

表1中，d為圓桿截面的直徑，b為矩形桿截面的寬度，h為矩形桿截面的高度，α為正六角桿截面的邊長(zhǎng)。

由于截面積相同，所以πd2/4=bh=2.598 α2。

故對(duì)于正六角桿來說，α=0.55d，Wz/A= 0.208α =0.114d；對(duì)于矩形桿，當(dāng)b=h時(shí)，h=0.886d，Wz/A =h/6=0.148d。

通過以上的推導(dǎo)，在截面積相同的情況下，當(dāng)矩形桿截面的高度與寬度相近時(shí)，矩形桿的抗彎性能最好，圓桿次之，正六角桿最差。根據(jù)路面的使用要求和路面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性綜合考慮，我們期望加強(qiáng)桿件在設(shè)計(jì)載荷作用下允許微量形變，不至于在車轍部位形成不可恢復(fù)的深溝，同時(shí)考慮到加強(qiáng)桿件的截面條件受到路面整體高度、卷狀直徑及機(jī)械化鋪撤順暢性等要求限制，結(jié)構(gòu)計(jì)算所采用的加強(qiáng)桿截面結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。重點(diǎn)考慮擬定3 種不同矩形斷面尺寸的閉合箱體方案進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。

2.2 加強(qiáng)桿分布間距的優(yōu)化

為了分析加強(qiáng)桿分布間距對(duì)路面變形的影響，還必須建立空間模型。由于路面體在加強(qiáng)桿和張緊力的作用下具有一定的剛度和抗彎性能，因此，可以把路面體等效為空間殼結(jié)構(gòu)，選擇單元shell63。取布厚為4 mm，改變加強(qiáng)桿分布間距，研究加強(qiáng)桿分布間距大小對(duì)變形的影響。加強(qiáng)桿采用梁?jiǎn)卧?，將桿件尺寸和形狀反映在梁的面積、慣性矩及高度等信息中，圖6所示是加強(qiáng)桿不同分布間距下路面變形量間的相互關(guān)系。

由圖6可以看出，其中有急劇變化的突變點(diǎn)，這是因?yàn)椋河?jì)算時(shí)為簡(jiǎn)便起見，將荷載作用在固定區(qū)域，而加強(qiáng)桿的間距發(fā)生變化時(shí)，加強(qiáng)桿的位置發(fā)生了變化，而這就相當(dāng)于荷載的位置在發(fā)生變化，相當(dāng)于車輪在路面上移動(dòng)，當(dāng)荷載大部分作用在加強(qiáng)桿上時(shí)，由于加強(qiáng)桿的剛度較大，變形就相對(duì)較小，而大部分作用在路面基體上時(shí)，就會(huì)發(fā)生較大的變形。因此圖中的突變正是說明了這種情況，反而更準(zhǔn)確地反映了路面受力的實(shí)際情況。但在分析加強(qiáng)桿間距變化對(duì)路面變形的影響時(shí)，須將這種突變的的情況作為奇異點(diǎn)不予考慮。根據(jù)研制的經(jīng)驗(yàn)和加強(qiáng)桿間距變化規(guī)律，我們擬定90×20 mm 5 孔空腔閉合箱體間距90 mm、60×30 mm 3 孔箱體間距60 mm和40×25 mm兩孔箱體間距40 mm，分別進(jìn)行模擬計(jì)算比較。

圖5 加強(qiáng)桿不同矩形空腔截面結(jié)構(gòu)形式圖

圖6 沉降量隨加強(qiáng)桿間距變化曲線圖

2.3 加強(qiáng)桿的優(yōu)化計(jì)算

加強(qiáng)桿間距按上述約定，進(jìn)行加強(qiáng)桿的截面結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化計(jì)算。

2.3.1 創(chuàng)建有限元模型

為了便于分析和使計(jì)算模型不至于過大，閉合箱體式加強(qiáng)桿的計(jì)算采用結(jié)構(gòu)等效的方法進(jìn)行，即按照橫斷面抗彎剛度相等的原理，將加強(qiáng)桿簡(jiǎn)化為一塊相同材料相同寬度相當(dāng)厚度的板，其斷面慣性矩與實(shí)際斷面相同，使其各處彎矩和位移大小相同。

2.3.2 定義材料屬性

加強(qiáng)桿采用碳纖維與樹脂復(fù)合。碳纖維彈性模量為230 GPa，密度為1.8 g/cm3，泊松比為0.3。

2.3.3 定義單元類型及實(shí)常數(shù)

加強(qiáng)桿為細(xì)長(zhǎng)的碳纖維桿，故選用梁?jiǎn)卧猙eam3。又由于松軟地基的抗剪強(qiáng)度很低，可以把該地基看作溫克爾地基，即把路面下面的地基看作是一根根彈簧，這樣，路面即受到這些“彈簧”的彈性抗力作用，彈性抗力與地基的彈性抗力系數(shù)及地基的下沉量有關(guān)，用公式表述如下：

p = ky

式中，p為地基的彈性抗力系數(shù)；k為彈性抗力系數(shù)；y為地基沉降量。

根據(jù)《彈性地基梁及矩形板計(jì)算》松軟土壤k=1～5 MPa/m，結(jié)合海灘路面現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)資料，經(jīng)相關(guān)公式換算后得k=2 MPa/m。現(xiàn)取k=2 MPa/m作為地基系數(shù)。根據(jù)以往路面計(jì)算及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合初步計(jì)算結(jié)果得知，輕質(zhì)高強(qiáng)路面在承受設(shè)計(jì)荷載時(shí)的沉降不會(huì)超過20 cm，故地基模型厚度取值應(yīng)＞20 cm。另外，由于計(jì)算模型不宜過大，且由于有限元單元尺寸比例的限制，地基厚度取值不宜很大。在本次計(jì)算中，地基厚度取40 cm。地基的彈性抗力通過彈簧單元來模擬，故選用單元combin14。

對(duì)于梁?jiǎn)卧x截面面積，慣性矩和截面高度；對(duì)于桿單元定義彈性系數(shù)。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與驗(yàn)證

路面采用高性能纖維機(jī)織雙層織物（路面體樣布面密度約1 800 g/m2）與加強(qiáng)桿復(fù)合成型。路面單元與地基單元之間“接觸”邊界按以下3 種情況建立模型。

2.4.1 輪式對(duì)稱載計(jì)算模型

溫克爾地基假定下路面受對(duì)稱載荷作用模型建立如下：路面寬度取其寬幅4.1 m的50％為2.05 m（其中加強(qiáng)桿長(zhǎng)2 m），長(zhǎng)度按10.5 m計(jì)算。輪胎作用于寬度方向距路面中心0.9 m處（整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，對(duì)所建模型實(shí)際是距邊緣），長(zhǎng)度方向前后輪分別距同一邊緣1.95和5.95 m處，前后輪的荷載分別為34.3 kN和63.7 kN。

通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)兩孔、3 孔和5 孔 3 種加強(qiáng)桿情況下，應(yīng)力分布情況基本一致（因?yàn)楹奢d大小和位置都未發(fā)生變化），變形趨勢(shì)也基本一致，僅在前后車輪位置附近產(chǎn)生應(yīng)力和變形，其它位置的受力和位移均為零；最大應(yīng)力出現(xiàn)在前輪作用處，最大應(yīng)力均為291.667 kPa，但因加強(qiáng)桿的排列間距不同，位置略有變化；最大位移出現(xiàn)在后輪作用處，分別是88.27、78.672和121.961 mm，但位置基本一致。應(yīng)力分布及變形結(jié)果如圖7～9所示。

圖7最大應(yīng)力點(diǎn)（1 050，0，1 890），最大位移點(diǎn)（1 150，0，5 950）；

圖8最大應(yīng)力點(diǎn)（1 050，0，1 900），最大位移點(diǎn)（1 150，0，6 000）；

圖9最大應(yīng)力點(diǎn)（1 050，0，1 950），最大位移點(diǎn)（1 150，0，6 000）。

2.4.2 輪式偏心載計(jì)算模型

圖7 兩孔加強(qiáng)桿應(yīng)力分布及變形示意圖

圖8 3 孔加強(qiáng)桿應(yīng)力分布及變形示意圖

圖9 5 孔加強(qiáng)桿應(yīng)力分布及變形示意圖

圖10 兩孔加強(qiáng)桿偏心載變形示意圖

溫克爾地基假定下路面受偏心載荷作用模型建立如下：路面按寬度4.1 m（其中加強(qiáng)桿長(zhǎng)4 m），長(zhǎng)度10.5 m建模，其它計(jì)算條件同對(duì)稱載。兩孔、3 孔和5 孔 3 種加強(qiáng)桿情況下，受輪式偏心載作用的變形情況如圖10～12所示。

圖10最大位移為140.13 mm，位于后軸邊輪下（50，5 950）；

圖11最大位移為139.25 mm，位于后軸邊輪下（50，5 950～6 000）；

圖12最大位移為198.32 mm，位于后軸邊輪下（50， 6 000）。

2.4.3 3 點(diǎn)簡(jiǎn)支計(jì)算模型

地基模型參照路面在寬度方向受3 點(diǎn)簡(jiǎn)支作用情況下建立，假定兩車輪正下方地基為足夠松軟直至淘空狀態(tài)，路面在設(shè)計(jì)載荷作用下通行。兩孔、3 孔和5 孔 3 種加強(qiáng)桿情況下，路面變形情況如圖13～15所示。

圖13最大位移為583.333 mm，位于前輪下；前軸中點(diǎn)位移為20.755 mm，相對(duì)位移為562.578 mm；后輪最大位移為406.25 mm，后軸中點(diǎn)位移為43.951 mm，相對(duì)位移為362.299 mm。

圖11 3 孔加強(qiáng)桿偏心載變形示意圖

圖12 5 孔加強(qiáng)桿偏心載變形示意圖

圖13 兩孔加強(qiáng)桿3 點(diǎn)支承變形示意圖

圖14 3 孔加強(qiáng)桿3 點(diǎn)支承變形示意圖

圖14最大位移為729.167 mm，位于前輪下；前軸中點(diǎn)位移為46.364 mm，相對(duì)位移為682.803 mm；后輪最大位移為677.08 mm，后軸中點(diǎn)位移為86.401 mm，相對(duì)位移為590.679 mm。

圖15最大位移為1 458.3 mm，位于前輪下；前軸中點(diǎn)位移為49.981 mm，相對(duì)位移為1 408.319 mm；后輪最大位移為677.08 mm，后軸中點(diǎn)位移為70.965 mm，相對(duì)位移為606.115 mm。

圖15 5 孔加強(qiáng)桿3 點(diǎn)支承變形示意圖

2.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)總述

計(jì)算結(jié)果表明，兩孔、3 孔和5 孔 3 種加強(qiáng)桿情況下，應(yīng)力分布情況基本一致（因?yàn)楹奢d大小、位置都未發(fā)生變化），變形趨勢(shì)也基本一致，僅在前后車輪位置附近產(chǎn)生應(yīng)力和變形，其它位置的受力和位移均為零；最大應(yīng)力出現(xiàn)在前輪作用處，最大應(yīng)力均為291.667 kPa，但因加強(qiáng)桿的排列間距不同，位置略有變化；最大位移出現(xiàn)在后輪作用處，分別是88.27、78.672和121.961 mm，但位置基本一致。經(jīng)綜合分析比較，加強(qiáng)桿采用3 孔式結(jié)構(gòu)最佳。

3 結(jié)語(yǔ)

從當(dāng)今應(yīng)急路面器材的發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)，設(shè)計(jì)一種新型輕質(zhì)高強(qiáng)應(yīng)急路面器材。在研究軟土沉降和破壞理論的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)路面進(jìn)行設(shè)計(jì)，并基于ANSYS軟件用有限元進(jìn)行數(shù)值模擬來指導(dǎo)設(shè)計(jì)，從材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)果分析等多方面進(jìn)行了探索。新型輕質(zhì)高強(qiáng)應(yīng)急路面器材的應(yīng)用，可以提高通用車輛、工程作業(yè)機(jī)械和自行軍事裝備通載時(shí)對(duì)環(huán)境多樣性的適應(yīng)能力，在沙灘、泥濘、草地、水上救援、抗洪搶險(xiǎn)等多領(lǐng)域有廣泛用途，具有十分重要的社會(huì)意義及市場(chǎng)價(jià)值。

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Optimization design of a new type of lightweight and high strength emergency pavement-equipment

ZHANG Bin1, QIAN Kun1, ZHANG Yan2
( 1. Jiangnan University Textile Garment Institute, Wuxi 214122 China; 2. Jiangsu Province Nonwovens ＆amp; Industrial Textiles Association, Nanjing 210002 China )

By using the ANSYS finite element method software to establish the analysis model of pavementequipment structure, according to the stress analysis results of the stiffener and pavement, the optimization design of the composite lightweight and high strength pavement are carried out in this article. The results show that: the stress distribution and deformation trend of the three kinds of stiffener are basically the same, stress and deformation are generated only at the front and rear wheels. The maximum stress appears in the front wheel, the maximum stress is 291.667 kPa; Maximum displacement occurs at the rear wheel, deformation of stiffener is smallest with three-hole structure, but the position is basically the same. By comprehensive analysis and comparison, the stiffener of emergency pavement-equipment should adopt 60×30 mm three-hole box structure, and the spacing of stiffener should be 60 mm.

emergency pavement-equipment; composite; lightweight and high strength; finite element method software; analysis model; stress analysis; optimization design

U421.3; TQ327

: A

: 1007-9815（2016）03-0046-07

定稿日期: 2016-05-27

張彬（1984-），女，吉林通化人，工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榧徔棌?fù)合材料，(電子信箱) bins0424@126.com。