第五章复合材料结构设计基础

第五章复合材料结构设计基础一个工程师:既是材料选用者,又是材料设计者.复合材料结构设计:既是一门科学,又是一门艺术.更是一门技术复合材料结构设计•1复合材料结构设计的新理念•2功能设计•3材料设计•4层合板设计复合材料结构设计的最终目标•据估计在地球同步卫星上每减轻一磅(0.45千克)的质量就能带来2万美元的经济效益。高性能低成本复合材料制造技术及其复合材料结构F14战斗机是美国海空军的主力战斗机，有4000多万美元DesignofaLaminate•Thefundamentalproblemsincompositesaretodeterminethestressesanddeformationwithineachlayerintermsofknownloadresultantsandthepredictionofonsetoffailureinalayeranditsprogressiontowardsfinalfailure•InregionsremotefromboundariesandstressraiserstheanalysisofstressesisreadilyaccomplishedbyLPT•Predictionoffailureisfarlesssatisfactory•Needforimproveddesigntoolstocoverlocalstressdetails(impact,CAI)butalsolifepredictionanddamageanddamagegrowthDesignofaLaminate层合板及其表示方法(1)铺层及其方向的表示（a）正轴坐标系和应力（b）偏轴坐标系和应力层合板及其表示方法单层复合材料的力学性能★单层的力学性能是复合材料的基本力学性能，即材料工程常数。★材料工程常数共9个：纵向和横向弹性模量E1和E2、主泊松比n12、纵横剪切弹性模量G12四个弹性常数；还有纵向拉伸和压缩强度Xt、Xc，横向拉伸与压缩强度Yt、Yc，纵横剪切强度S共五个强度参数。这9个工程常数是通过单向层合板的单轴试验确定的。★单层的性能不能替代实际使用的层合复合材料的性能。主要内容•第一复合材料结构设计特点第二设计条件与原则第三结构设计第四许用值与安全系数第五可靠性设计第六典型结构设计复合材料结构设计组成材料性能(功能)设计结构设计功能设计强度,刚度,稳定性设计工艺设计制备设计第一复合材料结构设计特点复合材料设计过程性能要求和设计条件方案论证初步设计选定材料,结构形式,成型方式,模具方案成本估算详细设计与评审确定结构设计尺寸,设计成本,质量保证计划试品试制备选材料性能数据结构计算确定工况结构与功能试验制品检验合格成型工艺经济核算不合格最终制品三个步骤•明确设计条件:•性能要求;载荷情况,环境条件;形状限制•材料设计:•包括原材料选择;铺层性能的确定;复合材料层合板的设计•结构设计:•包括复合材料典型结构件杆,梁,板,壳的设计和针对性复合材料具体结构的设计三方面齐头并进,综合考虑,优化组合,低价高能MaterialSelection•Specificstrengthfy/r•Stiffness•Densityr•Thermalconductivity/expansion•Stresscorrosionresistance•Costs•Erosion(atomicoxygen)•Fractureandfatigueresistance•Directionality(composite)•Easeoffabrication•Attachment•AvailabilityPrincipalLoadsLoadEffectStaticloadsatlaunchstressesanddisplacementsDynamicloadsatlaunchfrequenciesanddisplacementsRandomvibrationsaccelerationsAcousticloadsaccelerationsShocksaccelerationsMechanicalRequirementsandSpecificationsStiffness:abilitytomaintainshapewhenloadedshapemustbemaintainedunderstaticloadsatlaunch(nopermanentdeformations)shapemustbemaintainedunderdynamicloadsandvibrationsatlaunch(limitsonmaximumdisplacements)shapemustbemaintainedinspaceunderthermalload,duringmanoeuvresanddeploymentoperationsthemodalfrequencyofthestructuremustbeanalysedinordertominimisedisplacementsnaturalfrequenciesmustbefarfromloadfrequencytoavoidresonance复合材料结构设计的特点•1)材料设计,结构设计与工艺设计要同时进行•2)结构特性的可设计性•3)材质的各向异性—交叉效应•4)材料的非均匀性—偶合效应•5)低的层间性能•6)线弹性性能•7)材料特性的分散性明确设计条件•1)结构的基本使用性能要求•2)结构承受的载荷情况•3)对结构形状和尺寸的限制条件•4)使用环境条件•5)满足结构的使用寿命要求•6)在结构设计时考虑工艺成型方法•7)经济性估算•8)满足维修性要求第二设计条件与原则设计原则•包括•铺层设计原则;•工艺设计原则;•材料设计原则;•结构设计原则;铺层设计原则•1)均衡对称的铺设原则---•避免拉剪,拉弯偶合变形•均衡对称层合板的特征:•a)铺层中面对称;•b)若有-45度单层,则有+45度单层与其平衡.•2)铺层定向原则—•铺层方向尽量少,减少工作量(±45+0度+90度)•对于缠绕工艺,一般采用±α缠绕角等.•3)按照内力的方向的铺层取向原则••单向拉压:纤维方向与力方向一致••双向拉压:0度+90度••剪切:±45度••拉压+剪切:±45+0度+90度4)铺层最小比例原则•目的使复合材料薄弱环节-基体沿各个方向均不受载荷,•采用:±45+0度+90度,其中任一方向的最小铺层百分比大于6%-10%.,...4,2,...3,1kkkkttM正交铺层比•5)铺层顺序原则••单层数尽量小,不超过四层•(避免层内开裂和边缘分层)•在±45之间尽量铺设+0度+90度•在+0度+90度之间尽量铺设±45度•降低层间应力•对于暴露在外面的层合板,在表面铺设±45度,具有良好的使用维护性,抗压缩,抗冲击性能.•6)冲击载荷区设计原则:•±45+0度+90度•足够多的纤维铺设•局部加强•7)边缘集中载荷区的层合板设计•增加附加层•镶嵌金属件•8)连接区设计原则•与钉载方向成±45的铺层百分比大于或者等于40%.•与钉载方向一致的铺层百分比大于或者等于30%.•保证剪切强度,挤压强度,载荷扩散,减少应力集中•9)抗局部屈曲设计原则•10)变厚度设计原则•主要是台阶设计,每个台阶宽度相近且大于2.5mm,台阶高度不超过宽度的1/10.•11)开口区铺层设计原则•开口处相邻铺层的夹角小于60度,•开口形状:尽量采用圆孔•若采用矩形孔,则拐角处需要较大的圆角,•另外,开口处切断的纤维尽可能少.结构设计原则•1)刚度设计•2)强度设计:•最先一层失效强度;极限强度.分层破坏;分层屈曲,边缘破坏,冲击破坏,疲劳破坏•3)屈曲要求设计:薄壁结构•4)零膨胀系数层合板设计材料设计•由几种原材料组合制成具有所要求性能的材料的过程.•1)原材料设计:增强材料,基体材料•2)单层性能的确定-•初始阶段:细观力学计算公式•最后阶段:实验方法测定•3)复合材料层合板设计原材料性能与选择基本原则:•1)满足性能的条件下,尽可能降低成本•2)材料的力学性能满足强度,刚度,稳定性要求3)满足材料的耐环境性与结构的使用寿命•4)材料体系满足合适的成型工艺,且在预浸料制备,固化成型,机械加工,装配和修补等方面具有良好的工艺性.•5)选用定型,批量生产,质量稳定的原材料.•6)货源充足,容易运输,储存,安全性好•7)材料满足特殊性能要求.雷达罩具有透波性,客机内部具有阻燃性.纤维选择原则•1)高刚度:高模量的碳纤维•2)高强度:高强度的碳纤维或者玻璃纤维•3)透电磁波性能:E玻璃;S玻璃纤维;凯夫拉纤维;氧化铝纤维;石英纤维•4)耐冲击:玻璃纤维;凯夫拉纤维;•5)零膨胀:碳纤维;凯夫拉纤维•6)强度,刚度,断裂韧性,抗冲击性:碳纤维与玻璃纤维的混杂.树脂选择•1)要求树脂材料能在结构使用范围内正常工作.•2)要求树脂材料能在结构使用范围内良好的物理,化学性能.•3)要求树脂的工艺性良好.混杂复合材料的选择•1)层内混杂复合材料•2)层间混杂复合材料•3)层内-间混杂复合材料•4)夹芯混杂复合材料•5)混杂织物复合材料•6)混杂多向织物复合材料•1)对于强度和刚度要求比较高又有抗冲击要求的结构:•碳纤维+芳伦或者玻璃,层内或者层间;混杂复合材料•2)对于质量小,成本低,强度和刚度要求中等的结构:•芳伦或者玻璃+碳纤维,层内或者层间;混杂复合材料形式原则工艺设计原则•1)成型工艺方法的选择•2)模具选择•3)铺层设计要考虑工艺问题•4)结构零件的拐角应具有较大的圆角半径,并设计成直角或者钝角,避免在拐角处出现纤维折断,富树脂,架空(即各层之间未完全粘接)等缺陷.•5)外形变形区•设计应考虑制造工艺的难易程度,可以采用合理的分离面分成两个或者两个以上构件,•曲率较大的曲面采用织物铺层,•外形突变处应采用光滑过渡;壁厚应避免突变,可以阶梯变化.•6)对于具有封闭内腔需要空气气囊加压的结构•7)表面质量要求高的构件,应使该表面采用贴膜面.•8)壁厚尽可能小于7.5mm,对于构件壁厚大于7.5mm的结构,尽量保证工艺措施,适当降低其力学性能.•9)尽量用整体件.采用共固化工艺.•10)机械连接板应尽量在表面铺贴一层织物增强的复合材料铺层.成型工艺选择缝合/RFI壁板巨型缝纫机多樯结构胶接共固化翼盒大型共固化筒形体•包括:•综合层合板设计;典型结构件设计;连接设计•考虑:•设计条件,结构质量;研制成本;制造工艺,质量控制第三结构设计•1)复合材料结构一般采用按照使用载荷设计,按照设计载荷校核的方法.••使用载荷是指正常使用中可能出现的最大载荷.在该载荷下结构不会产生残余变形••设计载荷是指设计中用来进行强度计算的载荷,在该载荷下结构刚开始或者接近破坏.与金属结构,在强度,刚度要求方面的总原则是相同的.但是有其特殊性:•2)结构强度计算用的许用值,分为使用许用值和设计许用值,他们分别对应于最大使用载荷和设计载荷•3)复合材料强度准则只适用于单层.通常(Tsai-Wu)准则•4)当结构使用温度范围很宽或者在不同温度下复合材料性能变化较大时,应力分析所需要的弹性常数按照-55-80;80-120;120-150等温度区间选取•5)复合材料结构在使用载荷下,不允许有永久变形复合材料结构形式的分类骨架式结构硬壳式结构薄膜结构桁架式结构刚架式结构纯硬壳式结构半硬壳式结构只能承受面内力(薄膜内力)机械连接胶接连接,整体成型整体成型,一次成型工艺复杂,一次不能成型等代设计•是指在载荷与使用环境条件基本不变的情况下,采用相同外形的复合材料构件代替其他材料,用原来材料的方法进行设计•主要•1)是否适合采用复合材料替代•2)强度或者刚度设计•3)功能如何设计等代设计步骤•1)计算原结构的刚度,强度•2)确定复合材料替代结构的具体结构细节和组成各元件的刨面形状•3)计算复合材料各个构件组成元件的拉伸刚度,弯曲刚度,剪切刚度•4)计算复合材料结构的总体