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1、第九章 复合材料的结构设计,主要内容,1、复合材料结构设计的概念和基础2、复合材料的设计过程3、复合材料设计的举例,一、复合材料的结构设计基础 （教材P8-9）,复合材料本身是非均质、各向异性材料，因此，复合材料力学在经典非均质各向异性弹性力学基础上得到迅速发展。复合材料不仅是材料，更确切的说是结构。,一次结构是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。二次结构是指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺设方向、铺层序列) 。三次结构是指通常所说的工程结构或产品
2、结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。,单层材料设计,铺层设计,- , - ,- - Supply Chain ,结构设计,复合材料设计的三个层次,复合材料的设计,结构设计,铺层设计,单层材料设计,正确选择增强材料、基体材料及其配比，决定单层板的性能,对铺层材料的铺层方案做出合理安排，决定层合板性能,确定产品结构的形状和尺寸,复合材料结构设计的基础,复合材料力学是复合材料结构设计的基础。复合材料力学主要在单层板和层合板这两个结构层次上展开。复合材料力学的研究内容可以分为：微观力学：研究纤维、基体组份性能与单向板性能的 关系。宏观力学：层合板的刚度与强度分析、湿热环境的影 响等等。,
3、2、复合材料结构设计过程 （教材P87),复合材料结构设计是选用不同材料综合各种设计（如层合板设计、典型结构设计、连接设计等）的反复过程。需考虑的一些主要因素：结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、工装模具的通用性、设计经验,2.1 复合材料结构设计过程,性能要求载荷情况环境要求形状限制,源材料选择,铺层性能确定,应力与变形分析,失效分析,层合板设计,典型构件分析,结构设计,图1：复合材料结构设计综合过程图,明确设计条件,材料设计,结构设计,（1）明确设计条件。如结构性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制、结构可靠性与经济性等（2）材料设计。包括原材料选择、铺层性能的确定、复合材料
4、层合板的设计等（3）结构设计。包括复合材料典型结构件（如杆、梁、板、壳等）的设计，以及复合材料结构（如刚架、硬壳式结构等）的设计。,2.2 复合材料结构设计条件,结构性能要求载荷情况环境条件结构的可靠性与经济性,复合材料结构设计条件,结构性能要求载荷情况,结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全,提供装置各种配件、仪器等附件的空间。对结构形状和尺寸有一定限制,隔绝外界的环境状态而保护内部物体,静载荷：指缓慢的由零增加到某一数值后就保持不变或变动的不显著的载荷。,动载荷：指能使构件产生较大的加速度，并且不能忽略由此而产生的惯性力的载荷。,结构的可靠性与经济性,图2：结构成本与可靠性的关系,
5、结构可靠性分析可分为结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。 总成本最低时（即经济性最好）的可靠性为最合理。,环境条件,力学条件：加速度、冲击、振动、声音等,物理条件：压力、温度、湿度等,气象条件：风雨、冰雪、日光等,大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等,条件和主要影响结构的强度和刚度，条件和主要影响结构的腐蚀、磨损、老化等。,2.3 材料设计,材料设计，通常是指用几种原材料组合成具有所要求性能的材料的过程。原材料包括基体材料和增强材料。材料设计包括原材料选择、单层性能的确定和复合材料层合板设计。在此以聚合物基的复合材料的设计为例,1. 原料选择（1）原材料选择原则 比强度、比刚度高； 材料与结
6、构的使用环境相适应； 满足结构特殊性要求； 满足工艺性要求； 成本低、效益高。,（2）纤维选择 选择纤维时，首先要确定纤维的类别，其次要确定纤维的品种规格。,选择纤维类别，是根据结构的功能选取能满足一定的力学、物理和化学性能的纤维。选择纤维规格，是按比强度、比刚度和性价比选取的。,高强度，高刚度 高性能CF、BF 高抗冲击 GF、KF 低温性能 CF 尺寸稳定 KF、CF 透波，吸波 GF、KF、Al2O3,（3）树脂选择 目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，另一类为热塑性树脂。,热固性树脂包括环氧、酚醛、聚酯、聚酰亚胺树脂热塑性树脂如聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、尼龙等。,（3）树脂的
7、选择要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作。要求基体材料具有一定的力学性能。要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率，以确保充分发挥纤维的增强作用。要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能要求具有一定的工艺性,受力结构件首选热固性树脂，大量使用、连续挤压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）；150，聚酯或环氧；150400,聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂；内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）。,2. 单层性能的确定目的：为层合板设计提供依据 强度、刚度一般过程：确定复合比 性能预测 实验校核,（1）确定复合比 复合比一般是根据单层的承力性质或单层的使用性能选取的。,（2）刚度预测与核定
8、理论推测，实验核定。,（3）强度预测与核定 横向强度预测困难，以实验为准。 纵向拉伸强度(纤维延伸率小，首先断裂),纤维量多，取决于纤维,纤维量少，取决于基体,纵向压缩强度,取计算结果小者,最后以实验校核为准。,3. 层合板设计(P96)内容包括：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。,0/+45/90/-45,0/90,0,45,对称铺设：与主应力方向、厚度中心对称。均匀铺设：相邻层间角尽可能小，以防内应力过大。最小铺设比例610%。边缘包层。冲击载荷区以0层承载， 45层分散应力均衡负荷。厚度变化区以阶梯过渡。,1）铺设技术要点和原则（P96）：,概念：在载荷和使用环境不变的条件下，用相同形状
9、的复合材料层合板来代替其他材料，并使用原来材料设计的方法进行设计，以保证强度和刚度。优点：可以减轻结构件的质量。缺点：对于受大载荷的承力构建不适合。设计注意事项：准各项同性和非准各项同性。见表5-12.,2）等代设计法（P96）：,5.2.3 结构设计（P98）,结构设计的一般原则（1）按使用载荷设计、按设计载荷校核；（2）使用载荷使用许用值， 设计载荷设计许用值；（3）复合材料失效准则只适用于单层；（4）无刚度要求，材料弹性常数的数据可采用试验数据和平均值；有刚度要求则需要选取B基准值。,2. 结构设计应考虑的工艺性要求（P99） 工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性。3. 许用值与安全系数的确定（P99-100） 许用值包括使用许用值和设计许用值。 结构设计中，在保证安全的条件下，应尽可能降低安全系数。,设计值 = 安全系数使用值 安全系数选取： 玻璃纤维 23 高强度纤维 1.52 民用取上限，军事用途可取低些。,4. 结构设计应考虑的其他因素（P101） 复合材料结构设计除要考虑强度和刚度、稳定性、连接接头设计等以外，还需考虑热应力、防腐蚀、防雷击、抗冲击等因素。,
