6 复合材料结构设计

第6章复合材料结构设计§6.1概述§6.2材料设计§6.3结构设计§6.1概述6.1.1复合材料结构设计过程6.1.2设计条件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，典型结构件设计、连接设计等)的反复过程。在综合过程中必须考虑的一些主要因素有：结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、工装模具的通用性及设计经验等。复合材料结构设计的综合过程如图所示，大致分为三个步骤：6.1.1复合材料结构设计过程[e-mail]6.1.1复合材料结构设计过程性能要求载荷情况环境条件形状限制原材料选择铺层性能确定应力与应变分析失效分析层合板设计典型构件设计结构设计1)明确设计条件2)材料设计12343)结构设计4)应力应变及失效分析[e-mail]6.1.2设计条件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[e-mail]结构性能要求1)结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全2)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的限制3)隔绝外界的环境状态而保护内部物体6.1.2设计条件[e-mail]载荷情况1)静载荷：缓慢地由零增加到某一定数值以后就保持不变或变动得不显著的载荷。2)动载荷：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。6.1.2设计条件[e-mail]环境条件1)力学条件：加速度、冲击、振动、声音等2)物理条件：压力、温度、湿度等3)气象条件：风雨、冰雪、日光灯等4)大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等6.1.2设计条件[e-mail]6.1.2设计条件D结构的可靠性与经济性1)结构的可靠性：指结构在所规定的使用寿命内，在给予的载荷情况和环境条件下，充分实现所预期的性能时结构正常工作的能力。这种能力用一种概率来度量称为结构的可靠度。2)结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性两方面。一般来说，要提高可靠性就得增加初期成本，而维修成本是随可靠性增加而降低的，所以总成本最低时(即经济性最好)可靠性最为合理。[e-mail]§6.2材料设计6.2.1原材料的选择与复合材料性能6.2.2单层性能的确定6.2.3复合材料层合板设计A原材料的选择原则1)比强度、比刚度高2)材料与结构的使用环境相适应3)满足结构特殊性要求4)满足工艺性要求5)成本低、效益高6.2.1原材料的选择与复合材料性能[e-mail]11B纤维选择首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规格6.2.1原材料的选择与复合材料性能[e-mail]12•E或S玻璃纤维、凯夫拉纤维、氧化铝纤维等良好的透波、吸波性能•高模量碳纤维、硼纤维高刚度•玻璃纤维、凯夫拉纤维高抗冲击性B纤维选择首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规格6.2.1原材料的选择与复合材料性能[e-mail]13•低温不脆化的碳纤维低温工作性能•凯夫拉纤维或碳纤维(热膨胀系数可为负值)尺寸对温度不敏感•碳纤维或硼纤维(比强度和比刚度)高强度、高刚度项目玻璃/树脂凯夫拉49/树脂碳/树脂成本低中等高密度大小中等加工容易困难较容易抗冲击性能中等好差透波性良好最佳不透电波可选用形式多厚度规格较少厚度规格较少使用经验丰富不多较多强度较好比拉伸强度最高比压缩强度最低比拉伸强度最高比压缩强度最高刚度低中等高断裂伸长率大中等小耐湿性差差好热膨胀系数适中沿纤维方向接近零沿纤维方向接近零表6-1几种纤维增强树脂的特点[e-mail]146.2.1原材料的选择与复合材料性能[e-mail]15C树脂选择主要有热固性和热塑性树脂可供选择1)要求基体材料能在使用温度范围内正常工作2)要求基体材料具有一定的力学性能3)要求基体材料的断裂伸长率大于或接近纤维的断裂伸长率4)要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能5)要求具有一定的工艺性前面章节所使用的混合法则，即单层性能与体积含量成线性关系的法则，仅适用于较为特殊的一类复合材料。对于一般的层合结构复合材料，已知原材料的性能欲确定单层的性能时较为困难的。然而，设计的初步阶段，为了层合板设计、结构设计的需要，必须提供必要的单层性能参数，特别是刚度和强度参数。为此，通常需要利用细观力学方法推得的预测公式来进行计算。而在最终设计阶段，单层性能的确定需要用试验的方法直接测定。6.2.2单层性能的确定[e-mail]16A单层树脂含量的选择一般根据单层的承力性质或单层的使用功能选取6.2.2单层性能的确定[e-mail]17单层的功用固化后树脂的质量含量(%)主要承受拉伸、压缩、弯曲载荷27主要承受剪切载荷30用作受力构件的修补35主要用作外表层防机械损伤和大气老化70主要用作防腐蚀70~90体积含量与质量含量之间的关系为：6.2.2单层性能的确定[e-mail]18(6-1)𝑀𝑓,𝑀𝑚分别为纤维、树脂的质量百分比；𝜌𝑓,𝜌𝑚分别为纤维、树脂的密度。式中：另外，在最终设计阶段，一般为了单层性能参数的真实可靠，使设计更为合理，单层性能的确定需用试验的方法。可依据国家标准GB3352-88和GB3355-88来执行。B刚度的预测公式选择代表性体积单元如右图所示6.2.2单层性能的确定[e-mail]19LΔL12σ1σ11)确定𝐸1①代表性体积单元的作用应力为𝜎1，纤维和基体的弹性模量分别为𝐸𝑓和𝐸𝑚，求纵向弹性模量𝐸1。(6-2)𝐴,𝐴𝑓,𝐴𝑚分别为代表性体积单元的，纤维的和基体的横截面面积。式中：6.2.2单层性能的确定[e-mail]20式(6-2)可改写为下面形式：(6-3)式中：(6-4)分别为单层的纤维体积含量和基体体积含量。②纤维和基体有相同的线应变，且都等于单元的纵向线应变，于是有：(6-5)6.2.2单层性能的确定[e-mail]21③单层、纤维和基体都是线弹性的，都服从胡克定律，于是有：(6-6)将式(6-5)和(6-6)代入式(6-3)可得：(6-7)由于(6-8)所以式(6-7)又可写为：(6-9)6.2.2单层性能的确定[e-mail]222)确定E2代表性体积单元的作用应力为σ2，纤维和基体的弹性模量分别为Ef和Em，求横向弹性模量E2。12σ2σ2Δ从宏观角度看：(6-10)从细观角度看：(6-11)6.2.2单层性能的确定[e-mail]23所以：(6-12)各部分同样满足胡克定律：(6-13)即可得：(6-14)或改写为：(6-15)6.2.2单层性能的确定[e-mail]24变形得：(6-16)实验证明，E1的计算公式(6-9)与实验值基本相符，而E2的计算公式(6-16)与实验值差别较大，计算值偏低，为此，可利用如下的经验公式计算：(6-17)式中：(6-18)η2由实验确定，玻璃/环氧可取0.5，碳/环氧可取0.976.2.2单向层的工程弹性常数预测公式[e-mail]25工程弹性常数预测公式说明纵向弹性模量此式基本符合试验测定值横向弹性模量按此式预测的值往往低于试验测定值，对此可改用修正公式(6-17)(6-18)纵向泊松比此式基本符合试验测定值横向泊松比此式为工程弹性常数之间的关系式面内剪切弹性模量按此式预测的值往往低于试验测定值，对此可改用修正公式(6-17a)(6-18a)6.2.2单层性能的确定[e-mail]26(6-17a)(6-18a)6.2.2单层性能的确定[e-mail]27C强度的预测公式纵向拉伸强度：(6-19)(6-20)式中𝜎𝑓max为纤维的最大拉伸应力；(𝜎𝑚)𝜀𝑓max为基体应变等于纤维最大拉伸应变式的基体应变；𝜎𝑚max为基体的最大拉伸应力；Vf为纤维的体积含量；𝑉𝑓min为强度由纤维控制的最小纤维体积含量。6.2.2单层性能的确定[e-mail]28(6-21)(6-22)𝐸𝑓为纤维弹性模量；𝐸𝑚为基体弹性模量；𝐺𝑚为基体剪切弹性模量；𝑉𝑓为纤维的体积含量。式中：A层合板设计的一般原则1)铺层定向原则2)均衡对称铺设原则3)铺层取向按承载选取原则4)铺层最小比例原则5)铺设顺序原则6)冲击载荷区设计原则7)防边缘分层破坏原则8)抗局部屈曲设计原则9)连接区设计原则10)变厚度设计原则6.2.3复合材料层合板设计[e-mail]29B等代设计法C准网络设计法D毯式曲线设计法E主应力设计法F层合板排序设计法G层合板优化设计法6.2.3复合材料层合板设计[e-mail]30§6.3结构设计6.3.1结构设计的一般原则6.3.2结构设计应考虑的工艺性要求6.3.3许用值与安全系数的确定6.3.4典型结构件的设计6.3.5各种结构形式的选择6.3.6结构设计与应考虑的其它因素6.3.1结构设计的一般原则[e-mail]32•使用载荷是指正常使用中可能出现的最大载荷，在该载荷下结构不应产生残余变形。•设计载荷是指设计中用来进行强度计算的载荷，在这种载荷下材料刚开始或接近破坏。1)复合材料结构一般采用按使用载荷设计，按设计载荷校核的方法。6.3.1结构设计的一般原则[e-mail]33•许用值是计算中允许采用的性能值，由一定的试验数据确定。使用许用值与设计许用值由相应环境条件下的试验数据统计分析得到。2)按使用载荷设计时，采用使用载荷所对应的许用值称为使用许用值；按设计载荷校核时，采用设计载荷所对应的许用值，称为设计许用值。3)复合材料失效准则只适用于复合材料的单层。在未规定使用某一失效准则时，一般采用蔡-胡失效准则，且正则化相互作用系数𝐹12∗未规定时也采用-0.5；4)有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数据可采用试验数据的平均值，而有刚度要求的重要部位需要选取𝐵基准值。6.3.1结构设计的一般原则[e-mail]34工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性。复合材料结构设计时结构方案的选取和结构细节的设计对工艺性的好坏也有重要影响。主要应考虑的工艺性要求如下：1)构件的拐角应具有较大的圆角半径，避免在拐角处出现纤维断裂、富树脂、架桥等缺陷；2)对于外形复杂的复合材料构件设计，应考虑制造工艺上的难易程度，可采用合理的分离面分成两个或两个以上构件；对于曲率较大的曲面应采用织物铺层；对于外形突变处应采用光滑过度；对于壁厚变化应避免突变，可采用阶梯型变化；3)结构件的两面角应设计成直角或钝角4)······6.3.2结构设计应考虑的工艺性要求[e-mail]35A许用值的确定许用值是结构设计的关键要素之一，是判断结构强度的基准。因此正确地确定许用值是结构设计和强度计算的重要任务之一。安全系数也是一项非常重要的