1.复合材料结构设计第一次课——绪论

复合材料结构设计复合1301、1302课程内容纲要（1）课堂教学（30学时）（2）实践教学（20学时）了解复合材料的构造、特性及应用发展；掌握复合材料单层板和层合板的宏观及细观力学分析基础知识；初步掌握复合材料连接设计基础；掌握复合材料结构设计的基础知识。掌握复合材料基本结构的关键制备工艺，达到可动手制备复合材料制件的水平；具备运用计算机软件进行复合材料力学分析计算的能力。课程内容纲要（1）课堂教学（30学时）第一章复合材料的构造、特性、应用及发展第二章单层板的宏观力学分析2.1单层板的正轴刚度2.2单层板的偏轴刚度2.3单层板的强度第三章层合板的宏观力学分析3.1引言3.2对称层合板的面内刚度3.3一般层合板的刚度3.4层合板的强度课程内容纲要（1）课堂教学（30学时）第四章单层板的细观力学分析4.1引言4.2复合材料的密度和组分材料含量4.3单向连续纤维增强复合材料弹性常数预测4.5正交织物复合材料弹性常数的预测第五章复合材料连接分析与设计5.1复合材料连接特点5.2胶接连接设计5.3机械连接设计第六章复合材料结构设计基础课程教材作者：王耀先华东理工大学出版社课程内容纲要（1）课堂教学（30学时）第1-15周，时间：周2第2大节地点：二教C217课程内容纲要（2）实践教学（20学时）第一部分：复合材料制品设计及加工（动手实践）第二部分：计算机软件在复合材料结构力学设计中的应用（操作实践）课程内容纲要（2）实践教学（20学时）第一部分：复合材料制品设计及加工（动手实践）课程内容纲要（2）实践教学（20学时）第一部分：复合材料制品设计及加工（动手实践）课程内容纲要（2）实践教学（20学时）第一部分：复合材料制品设计及加工（动手实践）课程内容纲要（2）实践教学（20学时）第二部分：计算机软件在复合材料结构力学设计中的应用（操作实践）课程内容纲要（2）实践教学（20学时）周六、周日集中时间考试本次课内容第一章复合材料的构造、特性、应用及发展1.1引言材料是指经过某种制备与加工，具有一定结构、组分和性能，并具有一定用途的物质。1.1引言新材料是指以新制备工艺制成的或正在发展中、往往比传统材料具有更优异的特殊性能的材料。1.1引言新材料是推动工业发展的技术先导，是国际经济科技发展的物质保障。1.1引言劳动密集型产业技术密集型产业随着中国国民经济的持续高速增长，各种新材料的需求急剧增加，新材料产业是一个重要的战略性新兴产业，对于增强综合国力和国防现代化都有着重要意义1.1引言复合化是当代新材料发展的一个重要趋势，复合材料是新材料领域的后起之秀，它的出现给材料领域带来了重要变革，形成了金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料多角共存的格局。由两种或多种不同性能、不同形态的组分材料通过复合工艺组合而成的具有新性能的多相固体材料。连续相分散相界面相1.2复合材料的命名及分类命名方式？分类方法（1）按使用性能分类结构复合材料、功能复合材料、智能复合材料智能复合材料“碳纤维环氧树脂复合材料”1.2复合材料的命名及分类分类方法（2）按增强材料形态分类1.2复合材料的命名及分类分类方法（3）按增强材料种类分类碳纤维复合材料玻璃纤维复合材料芳纶纤维复合材料硼纤维复合材料1.2复合材料的命名及分类分类方法（4）按基体材料分类确切复合材料三个结构层次一次结构二次结构三次结构1.3复合材料的结构层次与特性1.3复合材料的结构层次与特性复合材料三个结构层次三次结构二次结构一次结构复合材料三个结构层次三次结构也就是通常所说的制品结构二次结构不同纤维方向的单层叠合而成的层合板组成层合板的一个一个的铺层称为一次结构，又称单层单向单层编织单层1.3复合材料的结构层次与特性复合材料的力学性能影响因素各组分材料的力学性能各组分的含量各相之间几何关系单层的力学性能单层纤维取向单层铺设顺序单层相对于总层数的百分比层合板的力学性能层合板结构形状层合板尺寸制品结构（或工程构件）的力学性能1.3复合材料的结构层次与特性与上述三个结构层次的概念相对应，将复合材料设计分为三个层次单层材料设计层合板设计结构设计正确选用增强材料和基体确定增强材料和基体的体积含量根据单层的性能确定层合板中单层的取向、各单层的铺设顺序以及各个定向单层的层数，又称为铺层设计根据层合板的力学性能来分析结构件的力学性能，最终确定制品结构的形状和尺寸三个设计层次相互影响1.3复合材料的结构层次与特性1.3复合材料的结构层次与特性通过对复合材料构造的分析，与传统材料相比，复合材料具有如下特性：(1)复合材料具有可设计性复合材料结构的多层次性为复合材料及其结构设计带来了灵活性，复合材料的力、热、声、光、电、防腐和抗老化性能均可以按制件的使用要求进行设计。如右图的圆筒复合材料受内压容器，其纵向截面的应力为横向截面应力的2倍，可以用2:1的经纬纤维缠绕工艺，使环向强度为轴向的2倍。再譬如，受扭的圆管，为了提高抗扭刚度，可以用1：1的经纬交织布沿着管轴呈±45°铺放。均质材料很难办到！！1.3复合材料的结构层次与特性(2)材料与结构具有同一性传统材料的构件成型是经过对材料的再加工完成的，在加工过程中材料不发生组分和化学的变化。1.3复合材料的结构层次与特性(2)材料与结构具有同一性复合材料构件与材料是同时形成的，组份材料在成型过程中同时也形成了构件，一般不再经过加工。其结构整体性好，可大幅度减少零部件和连接件数量。1.3复合材料的结构层次与特性(3)复合材料结构设计包含材料设计传统材料结构设计，只需要按要求合理选择定型化的标准材料。复合材料结构设计中，材料特性是由设计者根据条件自行设计，复合材料结构成型与材料形成同时完成，且材料也具有可设计性。因此复合材料结构设计包括材料设计和结构设计两个方面。树脂固化特性纤维力学特性成型工艺参数最终制件性能1.3复合材料的结构层次与特性(4)制品性能对复合工艺的依赖性复合材料现有十几种成型工艺，不同原材料种类、增强形式、铺设方案直接影响成型工艺，同时工艺方法、工艺参数、工艺过程也直接影响制件最终性能；由于成型过程中很难准确控制工艺参数，所以一般来说复合材料制品的性能分散性比较大。不适用适用(4)制品性能对复合工艺的依赖性1.3复合材料的结构层次与特性1.3复合材料的结构层次与特性(5)复合材料具有各向异性和非均质性金属材料、塑料、陶瓷为均质的和各向同性的；复合材料为非均质的和各向异性的。均质：物体内各点的性能相同，物体的性能不是物体内位置的函数。各向同性：物体内一点的各个方向上都具有相同的性能，而各向异性则表明某点的性能是该点方向的函数。由于复合材料的各向异性和非均质特点，在外力作用下，往往引起多种基本变形，复合材料的强度、刚度等力学参数都是纤维方向的函数1.4复合材料的优缺点复合材料的优点比强度和比模量是在质量相等的前提下衡量结构材料承载能力与刚度特性的一种材料性能指标。比强度高、比模量大意味着可减轻自重，承受较多的载荷和改善抗震能力。复合材料的优点几种典型的复合材料和金属材料的力学性能比较。要注意的是，单向纤维复合材料的比强度高、比模量大是指沿着纤维方向的有关性能复合材料的优点疲劳破坏是材料在交变载荷作用下，由于裂纹的形成和扩展而造成的低应力破坏。金属材料的疲劳破坏是由里向外经过渐变然后突然扩展的复合材料疲劳破坏总是从纤维或基体的薄弱环节开始逐渐扩展到结合面上在损伤较多且尺寸较大时，复合材料破坏前有明显预兆，能够及时发现和采取措施复合材料的优点受力结构的自振动频率除了与形状有关外，还与结构材料的比模量平方根成正比。因此复合材料有较高的自振频率，其结构一般不易产生共振，同时界面有较大吸收振动能量的能力。铝合金梁9秒停止振动碳纤/环氧梁2.5秒停止振动复合材料的破坏不像传统材料突然发生，而是经历基体损伤、开裂、界面脱粘、纤维断裂等一系列过程。复合材料的优点复合材料的缺点1.4复合材料的优缺点1.5复合材料的应用1.5复合材料的应用F18战斗机1.5复合材料的应用F18战斗机1.5复合材料的应用1.5复合材料的应用1.5复合材料的应用1.6复合材料的发展1.发展高性能纤维2.发展高性能树脂3.发展低成本的成型技术4.发展结构功能一体化复合材料5.发展复合材料的设计技术6.扩大复合材料的应用7.发展纳米复合材料本次课内容回顾