1、,第6章 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),6.1 概述 6.2 材料設(shè)計(jì) 6.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),2009-12-12,2,復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是選用不同材料綜合各種設(shè)計(jì)(如層合板設(shè)計(jì)，典型結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)等)的反復(fù)過程。在綜合過程中必須考慮的一些主要因素有：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、工裝模具的通用性及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合過程如圖所示，大致分為三個(gè)步驟：,6.1.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程,2009-12-12,3,6.1.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程,明確設(shè)計(jì)條件 材料設(shè)計(jì),1,2,3,4,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 應(yīng)力應(yīng)變及失效分析,2009-12-12,4,A 結(jié)構(gòu)性能要求 結(jié)構(gòu)所能承受的各

2、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(duì)結(jié)構(gòu)形狀和尺寸有一定的限制 隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護(hù)內(nèi)部物體,6.1.2 設(shè)計(jì)條件,2009-12-12,5,B 載荷情況 靜載荷：緩慢地由零增加到某一定數(shù)值以后就保持不變或變動(dòng)得不顯著的載荷。 動(dòng)載荷：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。,6.1.2 設(shè)計(jì)條件,2009-12-12,6,C 環(huán)境條件 力學(xué)條件：加速度、沖擊、振動(dòng)、聲音等 物理?xiàng)l件：壓力、溫度、濕度等 氣象條件：風(fēng)雨、冰雪、日光燈等 大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風(fēng)沙等,6.1.2 設(shè)計(jì)條件,2009-12-12,7,6.1.2

3、設(shè)計(jì)條件,D 結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性 結(jié)構(gòu)的可靠性：指結(jié)構(gòu)在所規(guī)定的使用壽命內(nèi)，在給予的載荷情況和環(huán)境條件下，充分實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的性能時(shí)結(jié)構(gòu)正常工作的能力。這種能力用一種概率來度量稱為結(jié)構(gòu)的可靠度。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性最終表現(xiàn)在可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩方面。一般來說，要提高可靠性就得增加初期成本，而維修成本是隨可靠性增加而降低的，所以總成本最低時(shí)(即經(jīng)濟(jì)性最好)可靠性最為合理。,2009-12-12,8,A 原材料的選擇原則 比強(qiáng)度、比剛度高 材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應(yīng) 滿足結(jié)構(gòu)特殊性要求 滿足工藝性要求 成本低、效益高,6.2.1 原材料的選擇與復(fù)合材料性能,2009-12-12,9,B 纖維選擇 首先確定

4、纖維的類別，其次確定纖維的品種規(guī)格,6.2.1 原材料的選擇與復(fù)合材料性能,2009-12-12,10,B 纖維選擇 首先確定纖維的類別，其次確定纖維的品種規(guī)格,6.2.1 原材料的選擇與復(fù)合材料性能,2009-12-12,11,6.2.1 原材料的選擇與復(fù)合材料性能,C 樹脂選擇 主要有熱固性和熱塑性樹脂可供選擇 要求基體材料能在使用溫度范圍內(nèi)正常工作 要求基體材料具有一定的力學(xué)性能 要求基體材料的斷裂伸長率大于或接近纖維的斷裂伸長率 要求基體材料具有滿足使用要求的物理、化學(xué)性能 要求具有一定的工藝性,2009-12-12,12,前面章節(jié)所使用的混合法則，即單層性能與體積含量成線性關(guān)系的法則

5、，僅適用于較為特殊的一類復(fù)合材料。 對(duì)于一般的層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，已知原材料的性能欲確定單層的性能時(shí)較為困難的。 然而，設(shè)計(jì)的初步階段，為了層合板設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，必須提供必要的單層性能參數(shù)，特別是剛度和強(qiáng)度參數(shù)。為此，通常需要利用細(xì)觀力學(xué)方法推得的預(yù)測(cè)公式來進(jìn)行計(jì)算。 而在最終設(shè)計(jì)階段，單層性能的確定需要用試驗(yàn)的方法直接測(cè)定。,6.2.2 單層性能的確定,2009-12-12,13,A 單層樹脂含量的選擇 一般根據(jù)單層的承力性質(zhì)或單層的使用功能選取,6.2.2 單層性能的確定,2009-12-12,14,體積含量與質(zhì)量含量之間的關(guān)系為：,6.2.2 單層性能的確定,(6-1),分別為纖維、

6、樹脂的質(zhì)量百分比； 分別為纖維、樹脂的密度。,式中：,另外，在最終設(shè)計(jì)階段，一般為了單層性能參數(shù)的真實(shí)可靠，使設(shè)計(jì)更為合理，單層性能的確定需用試驗(yàn)的方法?？梢罁?jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB3352-88和GB3355-88來執(zhí)行。,2009-12-12,15,6.2.2 單層性能的確定,式(6-2)可改寫為下面形式：,(6-3),式中：,(6-4),分別為單層的纖維體積含量和基體體積含量。,纖維和基體有相同的線應(yīng)變，且都等于單元的縱向線應(yīng)變，于是有：,(6-5),2009-12-12,16,6.2.2 單層性能的確定,單層、纖維和基體都是線彈性的，都服從胡克定律，于是有：,(6-6),將式(6-5)和(6-6

7、)代入式(6-3)可得：,(6-7),由于,(6-8),所以式(6-7)又可寫為：,(6-9),2009-12-12,17,6.2.2 單層性能的確定,確定E2 代表性體積單元的作用應(yīng)力為2，纖維和基體的彈性模量分別為Ef和Em，求橫向彈性模量E2。,從宏觀角度看：,(6-10),從細(xì)觀角度看：,(6-11),2009-12-12,18,B 剛度的預(yù)測(cè)公式 選擇代表性體積單元 如右圖所示,6.2.2 單層性能的確定,確定 代表性體積單元的作用應(yīng)力為，纖維和基體的彈性模量分別為和，求縱向彈性模量。,(6-2),分別為代表性體積單元的，纖維的和基體的橫截面面積。,式中：,2009-12-12,19

8、,6.2.2 單層性能的確定,所以：,(6-12),各部分同樣滿足胡克定律：,(6-13),即可得：,(6-14),或改寫為：,(6-15),2009-12-12,20,6.2.2 單層性能的確定,變形得：,(6-16),實(shí)驗(yàn)證明，E1的計(jì)算公式(6-9)與實(shí)驗(yàn)值基本相符，而E2的計(jì)算公式(6-16)與實(shí)驗(yàn)值差別較大，計(jì)算值偏低，為此，可利用如下的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：,(6-17),式中：,(6-18),2由實(shí)驗(yàn)確定，玻璃/環(huán)氧可取0.5，碳/環(huán)氧可取0.97,2009-12-12,21,6.2.2 單向?qū)拥墓こ虖椥猿?shù)預(yù)測(cè)公式,2009-12-12,22,6.2.2 單層性能的確定,(6-17a)

9、,(6-18a),2009-12-12,23,6.2.2 單層性能的確定,C 強(qiáng)度的預(yù)測(cè)公式 縱向拉伸強(qiáng)度：,(6-19),(6-20),式中為纖維的最大拉伸應(yīng)力；為基體應(yīng)變等于纖維最大拉伸應(yīng)變式的基體應(yīng)變； 為基體的最大拉伸應(yīng)力；Vf為纖維的體積含量；為強(qiáng)度由纖維控制的最小纖維體積含量。,2009-12-12,24,6.2.2 單層性能的確定,(6-21),(6-22),為纖維彈性模量； 為基體彈性模量； 為基體剪切彈性模量； 為纖維的體積含量。,式中：,2009-12-12,25,A 層合板設(shè)計(jì)的一般原則 鋪層定向原則 均衡對(duì)稱鋪設(shè)原則 鋪層取向按承載選取原則 鋪層最小比例原則 鋪設(shè)順序原

10、則 沖擊載荷區(qū)設(shè)計(jì)原則 防邊緣分層破壞原則 抗局部屈曲設(shè)計(jì)原則 連接區(qū)設(shè)計(jì)原則 變厚度設(shè)計(jì)原則,6.2.3 復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì),2009-12-12,26,6.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則,2009-12-12,27,6.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則,2009-12-12,28,復(fù)合材料失效準(zhǔn)則只適用于復(fù)合材料的單層。在未規(guī)定使用某一失效準(zhǔn)則時(shí)，一般采用蔡-胡失效準(zhǔn)則，且正則化相互作用系數(shù)未規(guī)定時(shí)也采用-0.5； 有剛度要求的一般部位，材料彈性常數(shù)的數(shù)據(jù)可采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，而有剛度要求的重要部位需要選取基準(zhǔn)值。,6.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則,2009-12-12,29,工藝性包括構(gòu)件的制造工

11、藝性和裝配工藝性。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)方案的選取和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)對(duì)工藝性的好壞也有重要影響。主要應(yīng)考慮的工藝性要求如下： 構(gòu)件的拐角應(yīng)具有較大的圓角半徑，避免在拐角處出現(xiàn)纖維斷裂、富樹脂、架橋等缺陷； 對(duì)于外形復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮制造工藝上的難易程度，可采用合理的分離面分成兩個(gè)或兩個(gè)以上構(gòu)件；對(duì)于曲率較大的曲面應(yīng)采用織物鋪層；對(duì)于外形突變處應(yīng)采用光滑過度；對(duì)于壁厚變化應(yīng)避免突變，可采用階梯型變化； 結(jié)構(gòu)件的兩面角應(yīng)設(shè)計(jì)成直角或鈍角 ,6.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的工藝性要求,2009-12-12,30,A 許用值的確定 許用值是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素之一，是判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基準(zhǔn)。因此正確地

12、確定許用值是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算的重要任務(wù)之一。安全系數(shù)也是一項(xiàng)非常重要的工作。 (1) 拉伸時(shí)許用值的確定方法 取下述三種情況得到的最小值 開孔試樣在環(huán)境條件下進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其斷裂應(yīng)變，并除以安全系數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出使用許用值。 非缺口試樣在環(huán)境條件下進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其集體不出現(xiàn)明顯微裂紋所能達(dá)到的最大應(yīng)變值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到使用許用值。,6.3.3 許用值與安全系數(shù)的確定,2009-12-12,31,開孔試樣在環(huán)境條件下進(jìn)行拉伸兩倍疲勞壽命試驗(yàn)，測(cè)定其所能達(dá)到的最大應(yīng)變值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到使用許用值。 (2) 壓縮時(shí)許用值的確定方法 取三種情況得到的最小值 (3) 剪切時(shí)許用值的確

13、定方法 取兩種情況得到的較小值,6.3.3 許用值與安全系數(shù)的確定,2009-12-12,32,B 安全系數(shù)的確定 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了確保結(jié)構(gòu)安全工作，又考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，要求質(zhì)量輕、成本低，因此，在保證安全的條件下，應(yīng)盡可能降低安全系數(shù)。安全系數(shù)的選擇應(yīng)主要考慮以下因素： 1 載荷的穩(wěn)定性 2 材料性質(zhì)的均勻性和分散性 3 理論計(jì)算公式的近似性 4 構(gòu)件的重要性與危險(xiǎn)程度 5 加工工藝的準(zhǔn)確性 6 無損檢測(cè)的局限性 7 使用環(huán)境條件,6.3.3 許用值與安全系數(shù)的確定,2009-12-12,33,典型結(jié)構(gòu)件主要指一維的桿、二維的板、三維的殼。這些典型結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)主要根據(jù)其受力情況而定 承拉桿件 圓棒狀桿：纖維沿載荷方向（軸向）鋪設(shè) 平板狀拉桿：