第九章--复合材料的结构设计

第九章复合材料的结构设计主要内容1、复合材料结构设计的概念和基础2、复合材料的设计过程3、复合材料设计的举例一、复合材料的结构设计基础（教材P8-9）复合材料本身是非均质、各向异性材料，因此，复合材料力学在经典非均质各向异性弹性力学基础上得到迅速发展。复合材料不仅是材料，更确切的说是结构。一次结构二次结构固体力学三次结构一次结构是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。二次结构是指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺设方向、铺层序列)。三次结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。-고객정보,고객관계는전략적자산-다양한채널을통합한고객서비스제공-파트너와의협력은전략적자산-SupplyChain를활용한경쟁우위확보复合材料设计的三个层次复合材料的设计结构设计铺层设计单层材料设计正确选择增强材料、基体材料及其配比，决定单层板的性能对铺层材料的铺层方案做出合理安排，决定层合板性能确定产品结构的形状和尺寸复合材料结构设计的基础复合材料力学是复合材料结构设计的基础。复合材料力学主要在单层板和层合板这两个结构层次上展开。复合材料力学的研究内容可以分为：微观力学：研究纤维、基体组份性能与单向板性能的关系。宏观力学：层合板的刚度与强度分析、湿热环境的影响等等。2、复合材料结构设计过程（教材P87)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、典型结构设计、连接设计等）的反复过程。需考虑的一些主要因素：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、设计经验2.1复合材料结构设计过程性能要求载荷情况环境要求形状限制源材料选择铺层性能确定应力与变形分析失效分析层合板设计典型构件分析结构设计图1：复合材料结构设计综合过程图明确设计条件材料设计结构设计（1）明确设计条件。如结构性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制、结构可靠性与经济性等（2）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等（3）结构设计。包括复合材料典型结构件（如杆、梁、板、壳等）的设计，以及复合材料结构（如刚架、硬壳式结构等）的设计。2.2复合材料结构设计条件结构性能要求载荷情况环境条件结构的可靠性与经济性复合材料结构设计条件结构性能要求载荷情况结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全提供装置各种配件、仪器等附件的空间。对结构形状和尺寸有一定限制隔绝外界的环境状态而保护内部物体静载荷：指缓慢的由零增加到某一数值后就保持不变或变动的不显著的载荷。动载荷：指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。结构的可靠性与经济性图2：结构成本与可靠性的关系结构可靠性分析可分为结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。总成本最低时（即经济性最好）的可靠性为最合理。环境条件力学条件：加速度、冲击、振动、声音等物理条件：压力、温度、湿度等气象条件：风雨、冰雪、日光等大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等条件①和②主要影响结构的强度和刚度，条件③和④主要影响结构的腐蚀、磨损、老化等。2.3材料设计材料设计，通常是指用几种原材料组合成具有所要求性能的材料的过程。原材料包括基体材料和增强材料。材料设计包括原材料选择、单层性能的确定和复合材料层合板设计。在此以聚合物基的复合材料的设计为例1.原料选择（1）原材料选择原则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。（2）纤维选择选择纤维时，首先要确定纤维的类别，其次要确定纤维的品种规格。选择纤维类别，是根据结构的功能选取能满足一定的力学、物理和化学性能的纤维。选择纤维规格，是按比强度、比刚度和性价比选取的。①高强度，高刚度高性能CF、BF②高抗冲击GF、KF③低温性能CF④尺寸稳定KF、CF⑤透波，吸波GF、KF、Al2O3（3）树脂选择目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，另一类为热塑性树脂。热固性树脂包括环氧、酚醛、聚酯、聚酰亚胺树脂热塑性树脂如聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、尼龙等。（3）树脂的选择①要求基体材料能在结构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要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率，以确保充分发挥纤维的增强作用。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①受力结构件首选热固性树脂，大量使用、连续挤压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）；②150℃，聚酯或环氧；③150～400℃,聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂；④内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）。2.单层性能的确定目的：为层合板设计提供依据——强度、刚度一般过程：确定复合比→性能预测→实验校核（1）确定复合比复合比一般是根据单层的承力性质或单层的使用性能选取的。（2）刚度预测与核定理论推测，实验核定。（3）强度预测与核定横向强度预测困难，以实验为准。纵向拉伸强度(纤维延伸率小，首先断裂)纤维量多，取决于纤维纤维量少，取决于基体maxmaxcffmmcmmVVV纵向压缩强度取计算结果小者最后以实验校核为准。23(1)1ffmcffmcfVEEVVGV3.层合板设计(P96)内容包括：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。0/+45/90/-45∘0/90∘0∘⊥45∘①对称铺设：与主应力方向、厚度中心对称。②均匀铺设：相邻层间角尽可能小，以防内应力过大。③最小铺设比例6～10%。④边缘包层。⑤冲击载荷区以0º层承载，±45º层分散应力均衡负荷。⑥厚度变化区以阶梯过渡。1）铺设技术要点和原则（P96）：冲击载荷分散应力主承载0º±45º①概念：在载荷和使用环境不变的条件下，用相同形状的复合材料层合板来代替其他材料，并使用原来材料设计的方法进行设计，以保证强度和刚度。②优点：可以减轻结构件的质量。③缺点：对于受大载荷的承力构建不适合。④设计注意事项：准各项同性和非准各项同性。见表5-12.2）等代设计法（P96）：5.2.3结构设计（P98）1.结构设计的一般原则（1）按使用载荷设计、按设计载荷校核；（2）使用载荷——使用许用值，设计载荷——设计许用值；（3）复合材料失效准则只适用于单层；（4）无刚度要求，材料弹性常数的数据可采用试验数据和平均值；有刚度要求则需要选取B基准值。2.结构设计应考虑的工艺性要求（P99）工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性。3.许用值与安全系数的确定（P99-100）许用值包括使用许用值和设计许用值。结构设计中，在保证安全的条件下，应尽可能降低安全系数。设计值=安全系数×使用值安全系数选取：•玻璃纤维2～3•高强度纤维1.5～2•民用取上限，军事用途可取低些。4.结构设计应考虑的其他因素（P101）复合材料结构设计除要考虑强度和刚度、稳定性、连接接头设计等以外，还需考虑热应力、防腐蚀、防雷击、抗冲击等因素。