1、第九章 復合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計,主要內(nèi)容,1、復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念和基礎(chǔ) 2、復合材料的設(shè)計過程 3、復合材料設(shè)計的舉例,一、復合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ) （教材P8-9）,復合材料本身是非均質(zhì)、各向異性材料，因此，復合材料力學在經(jīng)典非均質(zhì)各向異性彈性力學基礎(chǔ)上得到迅速發(fā)展。 復合材料不僅是材料，更確切的說是結(jié)構(gòu)。,一次結(jié)構(gòu)是指由基體和增強材料復合而成的單層材料，其力學性能決定于組分材料的力學性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區(qū)的性能。 二次結(jié)構(gòu)是指由單層材料層合而成的層合體，其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列) 。 三次結(jié)構(gòu)是指通常所說的工程

2、結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學性能決定于層合體的力學性能和結(jié)構(gòu)幾何。,單層材料設(shè)計,鋪層設(shè)計,- , - ,- - Supply Chain ,結(jié)構(gòu)設(shè)計,復合材料設(shè)計的三個層次,復合材料的設(shè)計,結(jié)構(gòu)設(shè)計,鋪層設(shè)計,單層材料設(shè)計,正確選擇增強材料、基體材料及其配比，決定單層板的性能,對鋪層材料的鋪層方案做出合理安排，決定層合板性能,確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸,復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ),復合材料力學是復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。復合材料力學主要在單層板和層合板這兩個結(jié)構(gòu)層次上展開。 復合材料力學的研究內(nèi)容可以分為： 微觀力學：研究纖維、基體組份性能與單向板性能的 關(guān)系。 宏觀力學：層合板的剛度與強度分析、濕熱環(huán)境

3、的影 響等等。,2、復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計過程 （教材P87),復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計是選用不同材料綜合各種設(shè)計（如層合板設(shè)計、典型結(jié)構(gòu)設(shè)計、連接設(shè)計等）的反復過程。 需考慮的一些主要因素：結(jié)構(gòu)質(zhì)量、研制成本、制造工藝、結(jié)構(gòu)鑒定、質(zhì)量控制、工裝模具的通用性、設(shè)計經(jīng)驗,2.1 復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計過程,性能要求 載荷情況 環(huán)境要求 形狀限制,源材料選擇,鋪層性能確定,應力與變形分析,失效分析,層合板設(shè)計,典型構(gòu)件分析,結(jié)構(gòu)設(shè)計,圖1：復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合過程圖,明確設(shè)計條件,材料設(shè)計,結(jié)構(gòu)設(shè)計,（1）明確設(shè)計條件。如結(jié)構(gòu)性能要求、載荷情況、環(huán)境條件、形狀限制、結(jié)構(gòu)可靠性與經(jīng)濟性等 （2）材料設(shè)計。包括原材料選擇

4、、鋪層性能的確定、復合材料層合板的設(shè)計等 （3）結(jié)構(gòu)設(shè)計。包括復合材料典型結(jié)構(gòu)件（如桿、梁、板、殼等）的設(shè)計，以及復合材料結(jié)構(gòu)（如剛架、硬殼式結(jié)構(gòu)等）的設(shè)計。,2.2 復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計條件,結(jié)構(gòu)性能要求 載荷情況 環(huán)境條件 結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟性,復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計條件,結(jié)構(gòu)性能要求 載荷情況,結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內(nèi)的安全,提供裝置各種配件、儀器等附件的空間。對結(jié)構(gòu)形狀和尺寸有一定限制,隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護內(nèi)部物體,靜載荷：指緩慢的由零增加到某一數(shù)值后就保持不變或變動的不顯著的載荷。,動載荷：指能使構(gòu)件產(chǎn)生較大的加速度，并且不能忽略由此而產(chǎn)生的慣性力的載荷。,結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)

5、濟性,圖2：結(jié)構(gòu)成本與可靠性的關(guān)系,結(jié)構(gòu)可靠性分析可分為結(jié)構(gòu)靜強度可靠性和結(jié)構(gòu)疲勞壽命可靠性。 總成本最低時（即經(jīng)濟性最好）的可靠性為最合理。,環(huán)境條件,力學條件：加速度、沖擊、振動、聲音等,物理條件：壓力、溫度、濕度等,氣象條件：風雨、冰雪、日光等,大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風沙等,條件和主要影響結(jié)構(gòu)的強度和剛度， 條件和主要影響結(jié)構(gòu)的腐蝕、磨損、老化等。,2.3 材料設(shè)計,材料設(shè)計，通常是指用幾種原材料組合成具有所要求性能的材料的過程。原材料包括基體材料和增強材料。 材料設(shè)計包括原材料選擇、單層性能的確定和復合材料層合板設(shè)計。 在此以聚合物基的復合材料的設(shè)計為例,1. 原料選擇 （1）

6、原材料選擇原則 比強度、比剛度高； 材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應； 滿足結(jié)構(gòu)特殊性要求； 滿足工藝性要求； 成本低、效益高。,（2）纖維選擇 選擇纖維時，首先要確定纖維的類別，其次要確定纖維的品種規(guī)格。,選擇纖維類別，是根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能選取能滿足一定的力學、物理和化學性能的纖維。 選擇纖維規(guī)格，是按比強度、比剛度和性價比選取的。,高強度，高剛度 高性能CF、BF 高抗沖擊 GF、KF 低溫性能 CF 尺寸穩(wěn)定 KF、CF 透波，吸波 GF、KF、Al2O3,（3）樹脂選擇 目前可供選擇的樹脂主要有兩類：一類為熱固性樹脂，另一類為熱塑性樹脂。,熱固性樹脂包括環(huán)氧、酚醛、聚酯、聚酰亞胺樹脂 熱塑性樹脂

7、如聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、尼龍等。,（3）樹脂的選擇 要求基體材料能在結(jié)構(gòu)使用溫度范圍內(nèi)正常工作。 要求基體材料具有一定的力學性能。 要求基體的斷裂伸長率大于或者接近纖維的斷裂伸長率，以確保充分發(fā)揮纖維的增強作用。 要求基體材料具有滿足使用要求的物理、化學性能 要求具有一定的工藝性,受力結(jié)構(gòu)件首選熱固性樹脂，大量使用、連續(xù)擠壓次受力件可選熱塑性樹脂（如建筑裝飾）； 150，聚酯或環(huán)氧； 150400,聚酰亞胺或雙馬來酰亞胺樹脂； 內(nèi)裝飾件，酚醛樹脂（阻燃性好）。,2. 單層性能的確定 目的： 為層合板設(shè)計提供依據(jù) 強度、剛度 一般過程： 確定復合比 性能預測 實驗校核,（1）確定復合比 復合比

8、一般是根據(jù)單層的承力性質(zhì)或單層的使用性能選取的。,（2）剛度預測與核定 理論推測，實驗核定。,（3）強度預測與核定 橫向強度預測困難，以實驗為準。 縱向拉伸強度(纖維延伸率小，首先斷裂),纖維量多，取決于纖維,纖維量少，取決于基體,縱向壓縮強度,取計算結(jié)果小者,最后以實驗校核為準。,3. 層合板設(shè)計(P96) 內(nèi)容包括：確定鋪層取向，鋪層順序，層合厚度。,0/+45/90/-45,0/90,0,45,對稱鋪設(shè)：與主應力方向、厚度中心對稱。 均勻鋪設(shè)：相鄰層間角盡可能小，以防內(nèi)應力過大。 最小鋪設(shè)比例610%。 邊緣包層。 沖擊載荷區(qū)以0層承載， 45層分散應力均衡負荷。 厚度變化區(qū)以階梯過渡。

9、,1）鋪設(shè)技術(shù)要點和原則（P96）：,概念：在載荷和使用環(huán)境不變的條件下，用相同形狀的復合材料層合板來代替其他材料，并使用原來材料設(shè)計的方法進行設(shè)計，以保證強度和剛度。 優(yōu)點：可以減輕結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量。 缺點：對于受大載荷的承力構(gòu)建不適合。 設(shè)計注意事項：準各項同性和非準各項同性。見表5-12.,2）等代設(shè)計法（P96）：,5.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計（P98）,結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則 （1）按使用載荷設(shè)計、按設(shè)計載荷校核； （2）使用載荷使用許用值， 設(shè)計載荷設(shè)計許用值； （3）復合材料失效準則只適用于單層； （4）無剛度要求，材料彈性常數(shù)的數(shù)據(jù)可采用試驗數(shù)據(jù)和平均值；有剛度要求則需要選取B基準值。,2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計應考慮的工藝性要求（P99） 工藝性包括構(gòu)件的制造工藝性和裝配工藝性。 3. 許用值與安全系數(shù)的確定（P99-100） 許用值包括使用許用值和設(shè)計許用值。 結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在保證安全的條件下，