第04章-复合材料结构设计基础
第04章-复合材料结构设计基础
工艺选择 铺层设计 结构设计
材料选择-纤维
增强纤维是复合材料的承载主体，增强纤维品种 及其体积含量一旦选定，由纤维控制的复合材料 的力学性能就基本确定。
已在飞行器结构中应用的纤维有碳纤维、凯芙拉 （Kevlar）、玻璃纤维（S玻璃、E玻璃）和硼纤 维等。
对纤维类别的选择，应按比强度、比刚度、延伸 率、热稳定性、性能价格比等指标，结合结构的 使用要求综合考虑。
常用树脂性能比较
材料选择-选材原则
按机体结构分类（主承力结构还是次承力结 构）、受载情况和工作环境条件，选择具有 良好耐使用环境性（耐湿热、耐冲击、耐介 质等）的复合材料品种类型。所选复合材料 的性能应与结构设计性能要求相匹配。
B-2选材分析
材料选择-选材原则
按机体结构成形工艺选择与工艺相对应的树脂 体系。即所选复合材料的成型工艺与结构成形 工艺方法相匹配。 所选材料应满足结构特殊性能要求。如民机内 装饰材料应满足阻燃、烟雾、毒性等要求。个 别结构部位应满足电磁屏蔽、搭接电阻、防静 电等电磁性能要求。
材料选择-选材原则
应具有与不同材料良好的匹配性。所选各材 料体系及其固化工艺之间应匹配协调。应避 免或减少碳纤维复合材料与铝合金之间出现 电偶腐蚀。增加钛合金用量减少铝合金用量 说明了这一点。
材料选择-选材原则
应选择经适航认证的，有使用经验的成熟的 材料，尽量压缩材料品种，保证供货渠道稳 定可靠。
铺层顺序
层合板设计的一般原则
均衡对称原则 结构一般均设计成均衡对称层合板形式，以避免 拉-剪、拉-弯耦合而引起固化后的翘曲变形。 如果设计需要采用非对称或非均衡铺层，应尽可 能将非对称和非均衡铺层靠近中面，可减小层合 板工艺变形。
层合板设计的一般原则
复合材料结构设计基础共35页文档
材料科学与工程学院
复合材料结构设计基础
李顺林 王兴业 主编 刘锡礼 刘德安 主审
武汉理工大学出版社
主讲教师：葛曷一，任保胜
从材料力学基础出发，介绍复合材料 力学、复合材料结构力学和复合材料构件 设计的基本知识。具体：复合材料经典层 合板理论、刚度和强度的计算方法、复合 材料结构元件的分析和典型产品结构设计 的基本步骤和方法等内容。
在《复合材料结构设计基础》讲授中，我们同样指 出学习必须遵循的三原则：第一，你一定有前提条件， 学生在听讲课时，必须需要具备其他知识；第二，你一 定给学生出难题，动脑筋的事儿特别多；第三你应该像 迎接丘比特一样喜爱阐述、假设、讨论、推理、计算或 其他方法。
1、绪论
1.1 复合材料(Composite Materials)定义、分类与命名
(1) 由两种或两种以上具有不同的化学或物理性 质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的 新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。
(2) 两种或两种以上不同化学性质或不 同组织相的物体，以微观形式或宏观 形式组合而成的材料。
（3）有连续相的基体(如聚合物－树脂、金属、 陶瓷等)与分散相的增强体材料(如各种纤维、织 物及粉末填料等)组成的多相体系。
课程先修 力学基础
材料力学和弹性力学
在《娱乐至死》节目中，美国学者尼尔·波兹曼提到 了娱乐遵循的三原则：第一，你不能有前提条件，观众 在观看你的节目时，不需要具备其他知识；第二，你不 能给观众出难题，动脑筋的事儿别涉及；第三你应该像 躲避瘟神一样避开阐述、争论、假设、讨论、说理、辩 驳或其他传统演说方法。
颗粒强化 复合材料
弥散强化 连续纤维 复合材料由纤维复在合三材维料多
方向编织而成
复合材料整体结构设计一
客户需求多样化
不同客户对复合材料的需求不同， 企业需要充分了解客户的需求和 偏好，提供定制化的产品和服务。
价格压力
随着市场竞争的加剧，复合材料 的价格压力也越来越大，企业需 要不断降低成本和提高生产效率。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
定制化
随着个性化需求的增加，复 合材料的设计和制造将更加 注重定制化，满足不同客户 的需求。
技术挑战
制造工艺
复合材料的制造工艺比较复杂，需要精确控制各种工艺参数，以保证 最终产品的性能和质量。
材料性能
复合材料的性能受到多种因素的影响，如原材料的质量、制造工艺、 环境条件等，需要充分考虑这些因素对复合材料性能的影响。
的最佳性能。
材料兼容性
03
考虑不同材料之间的相容性和连接方式，确保结构的稳定性和
可靠性。
结构设计中的力学分析
静力学分析
对复合材料结构在静载荷作用下的应 力、应变进行分析，验证结构的强度 和稳定性。
动力学分析
对复合材料结构在动态载荷作用下的 振动、疲劳等进行分析，评估结构的 动态性能和可靠性。
热力学分析
05 复合材料的发展趋势与挑 战
发展趋势
高性能化
智能化
随着科技的不断进步，对复 合材料的性能要求也越来越 高，如强度、刚度、耐高温、 耐腐蚀等性能的提升。
随着物联网、传感器等技术 的发展，复合材料的设计和 制造过程将更加智能化，能 够实现实时监测和调控。
绿色环保
随着环保意识的提高，复合 材料的设计和制造过程将更 加注重环保，减少对环境的 污染。
对复合材料结构在温度变化下的热膨 胀、热传导等进行分析，考虑温度对 结构性能的影响。
复合材料力学与结构设计
复合材料力学与结构设计复合材料力学与结构设计是关于使用复合材料制造结构的力学分析和设计的领域。
复合材料是由不同的化学成分、不同的物理状态或不同形式的材料组成的材料。
相比传统的单一材料，复合材料具有更高的强度、更低的重量和更好的耐腐蚀性能，因此在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域被广泛应用。
1.复合材料的强度和刚度分析：复合材料由纤维增强剂和基体材料组成。
纤维增强剂是复合材料中起支撑作用的部分，基体材料是填充在纤维增强剂之间的材料。
强度和刚度分析是通过考虑纤维增强剂和基体材料的性质，以及它们之间的相互作用来评估复合材料的整体性能。
2.复合材料的破坏机理和失效分析：复合材料的破坏机理包括纤维断裂、基体材料破裂、界面剪切和层间剥离等。
失效分析是通过考虑这些破坏模式来预测和评估复合材料的寿命和可靠性。
3.复合材料结构设计：复合材料结构设计包括确定材料层叠结构、纤维取向、层间粘接等。
这些设计决策直接影响复合材料结构的强度、刚度和重量。
通过优化设计，可以实现最佳的性能和最小的重量。
4.复合材料的非线性力学行为：复合材料的非线性力学行为是指在受到外部载荷作用下，材料的应力应变关系不是简单的线性关系。
这种非线性行为是由复合材料的纤维层间滑移、纤维簇内破坏等所引起的。
5.复合材料的动态响应：复合材料在外界动载荷作用下的响应是动态响应。
复合材料的动态特性对于振动和冲击问题的分析和设计至关重要。
复合材料力学与结构设计在实际应用中具有重要的意义。
通过合理的力学分析和优化设计，可以提高复合材料结构的安全性、可靠性和经济性。
此外，复合材料力学与结构设计还为新材料的开发和应用提供了理论基础和技术支持。
因此，加强复合材料力学与结构设计的研究对于推动复合材料技术的发展具有重要意义。
复合材料结构设计基础复习
[ 例 2 - 1] 已知 由表 2-1 给出的斯考契 1002 玻璃/环氧 复合材料的工程弹性
常数， 试求应力分量为 σ 1 = 400 MPa , σ 2 = 30 MPa , τ 12 = 15 MPa 时的 应变分 量和模量分量。 解 （1 ）求柔量分量：由 式（2-6）得
S11 S 22 S12 S 66 1 1 = = = 0 . 02591 (GPa E1 38 . 6
1.3.3 复合材料力学性能的特点
(1) 各向异性性能
(2) 非均质性
(3)层间强度低
(1) 各向异性性能 材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵 向，用字母L表示，与其垂直的另一主方向称为横 向，用字母T表示。 通常的各向同性材料中，表达材料弹性性能独 立的工程弹性常数有两个：E(弹性模量)和ν(泊松比) 或剪切弹性模量G。
(3)求模量分量
M = (1 −ν 1ν 2 ) −1 = (1 − ν 12 E2 −1 ) = 1.015 E1
)
−1
= 25 . 91 (TPa
)
−1
,
1 1 = = = 0 . 1209 (GPa )−1 = 120 . 9 (TPa )− 1 , E 2 8 . 27 0 . 26 ν −1 = S 21 = − 1 = − = − 0 . 006736 (GPa ) = − 6 . 736 (TPa 38 . 6 E1 1 1 −1 −1 = = = 0 . 2415 (GPa ) = 241 . 5(TPa ) . 4 . 14 G12
模量分量 Q11 = mEL Q12 = mν T EL 其中 m = (1 −ν Lν T ) −1 Q22 = mET Q21 = mν L ET Sij与Qij之间存在互逆关系 Q66 = GLT
3 复合材料结构设计基础
J 0 i Fi Z
' 2 i
2
组合梁各层正应力为
Wi J 0 / Z i'
M M
i Z i' Ei i E J Wi 式中 M---该截面处的弯矩。 0 0 梁内剪应力可采用同样的方法处理。在 R 处的剪应力 r
Pcr 2 EJ F l 2 F
若 J i 2 F 其中 i ----压杆截面的最小惯性半径。则： 2E 2E cr 2 2 l i 式中 ----柔度或长细比
cr 将大于 B 当 小到一定值时， （ B 为材料的强度极限），这时 2 杆件的计算就应由材料的强度控制。即 cr ≤ B 故 E
* K1 N * / N y1 x1
K1
（5） 确定各定向层层数 各层的总厚度：
100% 10%,
* * K 2 N xy / N 1 x1
K2
100% 10%
hx : hy : hxy 1 : K1 : 2K 2 h hx hy hxy n nx n y nxy
（2）细长承压杆件 按稳定性条件设计，其稳定性条件为 P P 式中 P ---使用载荷 P ----许用载荷
2 EJ Pcr l 2
式中
E ----杆轴方向的弹性模量；
若引入临界应力 cr 的概念，则 cr
----长度系数；
J ----横截面的最小惯性矩； l ----压杆长度；
N x : N y : N xy 1 : K1 : K 2
* * * K1 N * y / N x , K 2 N xy / N x
复合材料结构设计基础考点(可编辑修改word版)
第一章 绪论1. 复合材料的定义：两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料。
2. 比强度：强度与密度之比 比模量：模量与密度比3. 层间强度低：纤维增强复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度分别低于基体的剪切强度和拉伸强度，这是由于界面的作用所致。
因此在层间应力作用下很容易引起层合板分层破坏，从而导致复合材料结构的破坏，这是影响复合材料在某些结构物使用的重要因素。
4. 纤维增强复合材料是由两种基本原材料 基体和纤维组成的，构成复合材料的基体单元是单层板。
第二章 单层的刚度与强度5. 对于各向同性材料，表达其刚度性能的参数是工程弹性常数 E 、G 、v ，他们三者之间的关系 G=E/(2(1+v)) 所以独立的弹性常数只有 2 个。
而对于呈正交各向异性的单层， 常数将增加到 5 个，独立的有 4 个。
6. 单层正轴的应变 应力关系式 ⎧1 ⎫ ⎡ 1/ E L - v T / E T 0 ⎤⎧1 ⎫ ⎪ ⎪ = ⎢- v / E 1/ E 0 ⎥⎪ ⎪ ⎨ 2 ⎬ ⎢ L L T ⎥⎨ 2 ⎬ ⎪ ⎪ ⎢ 0 0 1/ G ⎥⎪ ⎪⎩ 3 ⎭ ⎣ LT ⎦⎩ 3 ⎭也可用柔量分量表示应变 应力的关系式 ⎧1 ⎫ ⎡S 11 S 12 0 ⎤⎧1 ⎫ ⎪ ⎪ = ⎢S S 0 ⎥⎪ ⎪ 但必须写出 S ⎨ 2 ⎬ ⎢ 21 22 ⎥⎨ 2 ⎬ ij ⎪ ⎪ ⎢ 0 0 S ⎥⎪ ⎪⎩ 3 ⎭ ⎣ 66 ⎦⎩ 12 ⎭ 7. 例题：已知铝的工程弹性常数 E=69Gpa ，G=26.54Gpa ，v=0.3，试求铝的柔量分量和模量分量。
由于铝是各项同性材料，所以 EL=ET=69Gpa Glt=G=26.54GPa vL=vT=v=0.3.（1）柔量分量S11=S22=1/E=14.49/（TPa ）S12=-v/E=-4.348/(TPa)S66=1/G=37.68/TPa(2)模量分量m=(1-vLvT) -1 =(1-v 2 ) -1Q11=Q22=mE=75.82GPaQ12=mvE=22.75Q66=G=26.54GPa8. 单轴的偏轴应力应变关系公式。
复合材料结构设计
(一)柔量分量
求应变分量：
1 S11 1 S12 2 (25.91 400 6.736 30) 106 10.162 103
2 S 21 1 S 22 2 (6.736 400 120.9 30) 106 0.933 103
根据能量守恒原理可知，正的正应力或剪应力乘上对 应的正应变或剪应变一定是作正功。 举例：在只有σ1作用应力的条件下，其功 1/2 σ1ε1=1/2S11 σ12为正值。从而E1＝1/S11为正值。同样， 在只有ε1应变的条件下，其功1/2 σ1ε1=1/2Q11 ε12应为正 值上，所以Q11为正值。 E1 , E2 , G12 0 同理可得： S11 , S 22 , S 66 0 Q11 , Q22 , Q66 0
求应力分量：
1 Q11 1 Q12 2 39.18 0.01 2.18 0.001 0.39398 GPa 2 Q21 1 Q22 2 2.18 0.01 8.39 0.001 0.03019 GPa 12 12 Q66 0.003 4.14 0.01242 GPa
（三）柔量分量与模量分量之间的关系
1 Q 1 因： 等式两端乘以[Q]-1,得 Q 1 1 Q 1 Q 1
Q1 Q I , I 1 1
式中[I]是单位矩阵。故
1 Q11
1 Q 1
(二)模量分量
②模量分量与工程弹性常数的关系
Q11 Q22 E1 ,E 2 , G12 Q66 M M 2 Q12 Q21 Q12 2 , 1 , M (1 ) 1 Q11 Q22 Q11Q22
复合材料结构设计基础
复合材料结构设计基础引言：复合材料在工程领域中得到了广泛的应用，其具有轻质、高强度和耐腐蚀等优点，能够满足特殊工程要求。
而复合材料的性能很大程度上取决于其结构设计。
因此，掌握复合材料结构设计的基础知识对于合理应用复合材料具有重要意义。
一、复合材料的基本结构类型：复合材料的结构分为层层结构和体积结构两种。
1.层层结构：包括片层结构和堆积结构。
片层结构是把纤维和基体按照一定的规则依次排列，形成层层叠加的结构。
堆积结构是将纤维和基体以相互几何间隔分别依次排列，形成嵌套式结构。
2.体积结构：纤维和基体相互交织形成立体网状结构，类似于海绵状的形态。
二、复合材料的结构设计原则：1.纤维体积分数的选择原则：纤维体积分数是指纤维在复合材料中所占的体积比例。
适当选择纤维体积分数可以满足设计要求，通常取决于应力和强度的匹配，高纤维体积分数可以提高材料的强度，但也会降低抗冲击性能。
2.不同纤维方向的选择原则：不同纤维方向的选择对于复合材料的强度和刚度具有决定性影响。
优秀的结构设计应根据受力情况选择不同方向的纤维，以保证复合材料具有理想的强度和刚度。
3.界面设计原则：纤维与基质之间的粘结界面对于复合材料的性能具有重要影响。
因此，在结构设计中应充分考虑界面的粘附强度和防止界面剥离的措施。
4.复合材料的层间变化原则：在复合材料的结构设计中，通常通过在层与层之间逐渐变化材料类型和纤维取向等参数，以实现不同功能的要求。
这种逐层变化的设计可以提高材料的韧性和耐疲劳性。
三、复合材料结构设计方法：1.等效材料法：将复合材料分解为等效的各向同性材料，使用经典力学的方法进行分析和计算。
2.高级弯曲理论法：使用高级理论进行弯曲分析，如层合板理论、剪切变形理论等，适用于层间残余应力较高的复合材料结构。
3.有限元方法：使用有限元分析软件对复合材料进行力学性能分析，可以得到结构的应力和应变分布。
结论：复合材料的结构设计是应用复合材料的关键，合理的结构设计可以充分发挥复合材料的优势，提高材料的性能。
复合材料结构设计基础
层间强度低 在结构设计时，应尽量减小层间应力，或采取某些构造措施，以避免层间分层破坏。
几个基本假设
研究复合材料的刚度和强度时，基本假设：
假设层合板是连续的。由于连续性假设，使数学分析中的一些连续性概念、极限概念以及微积分等数学工具都能应用于力学分析中。 假设单向层合板是均匀的，多向层合板是分段均匀的。 假设限于单向层合板是正交各向异性的：即认为单向层合板具有两个相互垂直的弹性对称面。
复合材料创新
聚丙烯腈基纤维发展
我国碳纤维工业发展缓慢，与发达国家比较存在很大差距。 国内碳纤维发展过程 中国PAN基CF市场概况、特点 大力发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。
改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡，推进玻纤与玻钢两行业密切合作，促进玻璃纤维增强材料的新发展。
添加标题
设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。
添加标题
具体体现在两个方面
添加标题
力学设计
添加标题
给制品一定的强度和刚度
添加标题
功能设计
添加标题
给制品除力学性能外的其他性能
添加标题
组分材料和铺层方向可按照设计要求进行选择。选择不同的基体材料与增强材料以及它们的含量比，不同的铺层方向与构成形式，可以构成不同性能的复合材料。组分材料有其自己的固有特性，而且组分材料之间要彼此相容(包括物理、化学、力学等方面)，使其真正复合成一个整体，成为一种新材料。
复合材料结构设计基础教学设计
复合材料结构设计基础教学设计一、教学目标本课程旨在使学生掌握复合材料结构的基本概念、特点和设计方法，以及复合材料结构设计的相关知识和应用技术。
具体的目标如下：1.了解复合材料结构的基本概念和特点；2.掌握复合材料结构设计的基本方法和步骤；3.熟悉复合材料结构设计中常用的软件工具；4.能够独立完成复合材料结构设计的基本任务。
二、教学内容1. 复合材料结构的基本概念和特点1.复合材料结构的定义和分类；2.复合材料的基本组成和结构特点；3.复合材料结构的性能特点。
2. 复合材料结构设计的基本方法和步骤1.复合材料结构设计的流程和步骤；2.复合材料结构设计中的注意事项；3.复合材料结构设计中的常见问题及解决方法。
3. 复合材料结构设计中常用的软件工具1.多物理场仿真软件；2.结构分析软件；3.材料力学软件。
4. 复合材料结构设计的应用技术1.复合材料结构在航空航天、汽车、船舶等领域的应用；2.复合材料结构的材料选择和成型工艺。
三、教学方式1.讲授课程内容；2.课堂练习和案例分析；3.实验操作和实验报告；4.课堂互动和讨论。
四、教学评估1.平时成绩（作业、课堂参与、考勤等）占20%；2.期中考试成绩占30%；3.期末考试成绩占50%。
五、教学资源1.复合材料结构教材（可以使用多种教材，如《复合材料结构设计》等）；2.复合材料结构仿真和分析软件；3.复合材料成型实验设备；4.学校图书馆及网上资源。
六、教学进度章节教学内容授课时间第一章复合材料结构的基本概念和特点2周第二章复合材料结构设计的基本方法和步骤3周第三章复合材料结构设计中常用的软件工具2周章节教学内容授课时间第四章复合材料结构设计的应用技术2周总结总结和期末考试1周以上是本课程的教学设计，希望能够满足广大学生的需求，提高学生的专业水平，培养高素质的复合材料结构设计人才。
复合材料结构设计基础
复合材料结构设计基础一、引言复合材料是由两个或两个以上成分组成的材料，其性能优异且广泛应用于航空航天、汽车、建筑、体育器材等领域。
复合材料的结构设计是保证其实际应用中能够充分发挥其性能的重要环节。
本文将从材料选择、结构设计和强度分析等方面介绍复合材料结构设计的基础知识。
二、材料选择1.纤维：纤维是复合材料中的主要增强成分，可以使复合材料的强度和刚度得到改善。
常见的纤维有碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等。
选择纤维时需要考虑其强度、刚度、密度和耐热性能等因素。
2.矩阵：矩阵是复合材料中的主要基体成分，起到纤维之间传递应力的作用。
常用的矩阵有热固性树脂和热塑性树脂。
选择矩阵时需要考虑其耐热性、化学稳定性和湿热性能等因素。
3.界面增强剂：界面增强剂可以提高纤维和矩阵之间的粘结强度。
常用的界面增强剂有表面改性剂和界面剂。
选择界面增强剂需要考虑其与纤维和矩阵的相容性和增强效果。
三、结构设计1.组织构型：复合材料的组织构型包括单向、角度堆积、短纤维增多和编织增强等形式。
选择合适的组织构型可以在不同的应力情况下提供更好的性能。
2.层压结构：复合材料的层压结构是由多个纤维层和矩阵层交替堆积而成。
合理设计层压结构可以在不同方向上提供不同的性能，提高复合材料的强度和刚度。
3.构件形状：四、强度分析1.强度计算：应力分析和强度计算是复合材料结构设计中的重要环节。
可以通过有限元分析、解析方法和试验验证等手段来进行强度分析。
2.破坏机理：复合材料的破坏机理包括纤维断裂、矩阵破裂和界面剥离等。
了解破坏机理可以指导结构设计，预测和控制材料的破坏行为。
3.疲劳寿命：复合材料的疲劳寿命是指材料在交变加载下能够承受的循环次数。
疲劳寿命的预测可以通过试验和寿命预测模型等方法进行。
五、总结复合材料结构设计基础包括材料选择、结构设计和强度分析等方面。
合理选择纤维、矩阵和界面增强剂等材料，设计合适的组织构型和层压结构，进行强度分析和破坏机理研究，可以提高复合材料结构的强度和刚度，应用于不同领域中。
复合材料结构分析
4.0.1 弹性力学的基本内容
弹性力学与材料力学
材料力学基本上是研究具有特殊形状的构件（如杆、梁、板等） 在拉压、剪切、弯曲和扭转作用下的应力，应变和位移； 弹性力学则对形状更加复杂的实体结构和构件进行应力，应变 和位移的分析。弹性力学的基本假设比材料力学少。通常利用 弹性力学的三大基本规律和边界条件对构件进行更精确的分析。
2018/8/16
24
4.1 复合材料结构分析的基本问题
前几章分析了单层及层合板的强度与刚度，它反映了复 合材料和传统材料基本力学性能的差异，给出了表征复合材 料力学行为的基本关系，这一部分一般称为复合材料力学。 复合材料结构分析是对由复合材料构成的具体构件，以基本 力学性能为基础，考虑构件所处的边界条件，计算其应力与 应变的分布规律。这些内容称为复合材料结构力学。 复合材料结构分析就是分析组成复合材料结构的基本元件在 载荷作用下的力学响应，为结构设计提供可靠的依据。
40弹性力学基本内容41复合材料结构分析的基本问题42复合材料梁43夹层结构分析44复合材料板的弯曲分析45复合材料壳体分析401弹性力学的基本内容402弹性力学的基本假设403弹性力学的几个重要概念404弹性力学的三大基本规律405弹性力学的边界条件2018816weizhoucugeducn弹性力学是固体力学的重要分支它研究弹性物体在外力和其它外界因素作用下产生的变形和内力也称为弹性理论
(4-5)
式中
称为柔量分量。如果将上式求逆，则：
2018/8/16
19
(4-6) 称为模量分量
对于正交各向异性材 料，若材料主方向改 为 1, 2, 3 坐标，则应 力-应变关系为： (4-7)
2018/8/16
(完整版)复合材料结构设计基础考点
第一章 绪论1. 复合材料的定义：两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料。
2. 比强度：强度与密度之比 比模量：模量与密度比3. 层间强度低：纤维增强复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度分别低于基体的剪切强度和拉伸强度，这是由于界面的作用所致。
因此在层间应力作用下很容易引起层合板分层破坏，从而导致复合材料结构的破坏，这是影响复合材料在某些结构物使用的重要因素。
4. 纤维增强复合材料是由两种基本原材料------基体和纤维组成的，构成复合材料的基体单元是单层板。
第二章 单层的刚度与强度5. 对于各向同性材料，表达其刚度性能的参数是工程弹性常数E 、G 、v ，他们三者之间的关系 G=E/(2(1+v)) 所以独立的弹性常数只有2个。
而对于呈正交各向异性的单层，常数将增加到5个，独立的有4个。
6. 单层正轴的应变---应力关系式⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡--=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧321321/1000/1/0//1σσσεεεLT T L L T T L G E E v E v E 也可用柔量分量表示应变 应力的关系式 ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧122166222112113210000τσσεεεS S S S S 但必须写出S ij7.例题：已知铝的工程弹性常数E=69Gpa ，G=26.54Gpa ，v=0.3，试求铝的柔量分量和模量分量。
由于铝是各项同性材料，所以EL=ET=69Gpa Glt=G=26.54GPa vL=vT=v=0.3.（1）柔量分量S11=S22=1/E=14.49/（TPa ）S12=-v/E=-4.348/(TPa)S66=1/G=37.68/TPa(2)模量分量m=(1-vLvT)1-=(1-v 2)1-Q11=Q22=mE=75.82GPaQ12=mvE=22.75Q66=G=26.54GPa8．单轴的偏轴应力应变关系公式。
《复合材料结构设计》PPT课件
§4.1 概 述
4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺
（2）常用的工艺成形方法 ◆缠绕成形法（工艺示图如下图）
11
§4.1 概 述
4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺
（2）常用的工艺成形方法 ◆树脂转移模塑成形法（RTM）（工艺示图如下图）
12
§4.1 概 述
4.1.3 复合材料结构的制造与成形工艺
38
§4.4 夹层结构设计
4.4.2 夹层结构及其选材
（1）面板
◆铝合金 ◆碳纤维复合材料 ◆凯芙拉（Kevlar）纤维复合材料 ◆玻璃布复合材料，如高弹玻璃布/环氧复合材料等
行结构设计。
★ 设计选材和层合板设计包括组分材料的选用、铺层性能的确
定以及层合板设计；结构设计则包含结构形式的确定、结构
元件设计、结构细节设计和连接设计等内容。
17
§4.2 设计选材与设计许用值确定
4.2.1 复合材料结构设计的选材
（1）选材的原则
★ 根据结构最高工作温度及其采用的工艺方法选择树脂基体体 系，根据性能要求和成本指标选择增强纤维。 ★ 重点考虑反映缺陷/损伤和环境因素影响的性能。 ★ 重点考虑与固化成形工艺有关的参数。
19
§4.2 设计选材与设计许用值确定
4.2.1 复合材料结构设计的选材
（2）树脂性能及其选择
★ 树脂基体是复合材料的另一组分材料，它对纤维起着支撑、 保护并传递载荷的作用。
★ 树脂的选择应满足结构的使用温度范围和基体的力学性能要 求，树脂的吸湿、耐环境、阻燃性等物理、化学性能符合结 构的使用要求，所选树脂还应满足工艺性能良好，毒性低， 价格合理等原则。
22
§4.3 层合板与层合件设计
(完整版)复合材料结构设计(2)
复合材料结构设计基础 练习题1练习题一填空1、复合材料的重要特点是（结构）设计与（材料）设计同时进行。
2、研究复合材料的强度和刚度时的基本假设有：(1) 假设层合板是（连续）的；(2）假设单向层合板是（均匀）的，多向层合板是分段均匀的；(3) 假设限于单向层合板是（正交各向异性）的：即认为单向层合板具有两个相互垂直的弹性对称面；(4) 假设限于层合板是（线弹性）的：即认为层合板在外力作用下产生的变形与外力成正比关系，且当外力移去后，层合板能够完全恢复其原来形状；(5) 假设层合板的变形（很小）。
3、复合材料单层（正交各向异性材料）基本强度指标包括：Xt ——纵向拉伸强度； Xc ——纵向压缩强度；Yt ——横向拉伸强度； Yc ——横向压缩强度；S ——面内剪切强度。
4、对正交各向异性材料，当载荷作用在非材料主方向时，正交各向异性性能常常导致（耦合）效应。
5、单向层合板强度准则包括（最大应力）准则和（最大应变）准则。
6、按照各单层板相对于中面的排列位置，层合板可分为（对称）、（非对称）和（夹心）层合板三大类。
7、层合板的刚度用层合板（刚度）系数，为层合板内力-应变关系的系数、（柔度）系数为层合板应变-内力关系的系数、和（工程弹性）常数三种形式给出。
8、复合材料结构分析就是分析组成复合材料结构的基本元件在（载荷）作用下的力学响应，为（结构）设计提供可靠的依据。
9、复合材料连接，包括复合材料构件之间和复合材料构件与其它材料构件之间的连接，在复合材料结构中对结构的安全与可靠性具有十分重要的作用。
10、AutoCAD 中的编辑命令主要有删除、移动、复制、旋转、缩放、偏移、镜像、 阵列（写出其中五种）。
11、纤维增强复合材料是由（基体）和（增强体）两种基本材料组成的，构成复合材料的基本单元是（层合板）。
12、单层的正轴刚度是指单层在正轴上所显示的刚度性能，表示单层的正轴刚度可以用（工程弹性常数）、（柔量分量）或（模量分量）中的任意一组。
《复合材料结构设计基础》课程教学大纲
《复合材料结构设计基础》课程教学大纲一、课程基本情况课程名称（中文）：复合材料结构设计基础课程名称（英文）：Foundation of Composite Structure Designing课程代码：B3013650学分：3总学时：48理论学时：48实验学时；0课外学时：4课程性质：专业课（必修课）适用专业：复合材料与工程适用对象：本科先修课程：高分子物理与化学、复合材料原理所属课程群：考核方式：考试、闭卷，以过程考核方式记录平时成绩。
平时成绩50%，期终考试50%注：在所采用的形式下打“√”，并确定成绩占比。
教学环境：课堂、多媒体，开课学院：材料科学与工程学院课程网站（可选）：二、课程简介（任务与目的、对接培养的岗位能力）（300字左右）1. 任务与目的通过本课程的学习要求学生掌握复合材料的结构设计基础知识，掌握复合材料特性，掌握复合材料的单层刚度与强度，层合板的刚度与强度；学会应用材料力学分析复合材料机构的力学特点；熟悉复合材料连接的特点；掌握几种典型产品的结构设计方案。
为以后专业及工作学习提供知识储备。
本课程是复合材料与工程专业大学本科生必修的专业课和主干课程。
通过课程的学习，使学生理解复合材料力学、复合材料结构力学和复合材料构件设计的基本知识。
课程内容包括复合材料单层的刚度和强度、复合材料层合板的刚度和强度、复合材料结构分析、复合材料连接、复合材料设计的一般方法和典型产品设计。
主要有复合材料及其结构设计的特点、单层的刚度与强度、层合板的刚度与强度、复合材料结构分析、复合材料连接、复合材料结构设计、复合材料典型产品设计。
2. 对接培养的岗位能力掌握复合材料力学性能基本特征：各向异性；掌握单层板刚度和强度对单层复合材料的形变和失效的原因，包括模量分量、柔量分量举证，偏轴、正轴的转换矩阵；掌握复合材料层合板的面内刚度、柔度矩阵；熟悉复合材料的连接方式；掌握复合材料结构设计方法，包括材料设计和结构设计；熟悉复合材料构件的结结构的基本原理与设计计算方法。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料选择-选材原则
应具有与不同材料良好的匹配性。所选各材 料体系及其固化工艺之间应匹配协调。应避 免或减少碳纤维复合材料与铝合金之间出现 电偶腐蚀。增加钛合金用量减少铝合金用量 说明了这一点。
材料选择-选材原则
应选择经适航认证的，有使用经验的成熟的 材料，尽量压缩材料品种，保证供货渠道稳 定可靠。
F1 12 1 2 1
2 1 2 2 2 6
1 1 1 F1 , aaF11 Xt Xc Xt Xc
1 F6 0, aaF66 2 S
1 1 1 F2 , aaF22 Yt Yc YtYc
如果承受双轴向拉伸或压缩载荷，纤维方向按受载 方向 0°、90°正交铺设； 若承受剪切载荷，纤维按 +45°、 -45°成对铺设；
如果承受拉伸（或压缩）和剪切的复合载荷情况， 则纤维方向应按 0°、90°、+45°、-45°多向铺设
层合板设计的一般原则
铺层顺序原则 应使各定向单层尽量 沿层合板厚度均匀分 布，避免将同一铺层 角的铺层集中放置。
材料选择
工艺选择 铺层设计 结构设计
材料选择-纤维
增强纤维是复合材料的承载主体，增强纤维品种 及其体积含量一旦选定，由纤维控制的复合材料 的力学性能就基本确定。
已在飞行器结构中应用的纤维有碳纤维、凯芙拉 （Kevlar）、玻璃纤维（S玻璃、E玻璃）和硼纤 维等。
对纤维类别的选择，应按比强度、比刚度、延伸 率、热稳定性、性能价格比等指标，结合结构的 使用要求综合考虑。
层合板设计的一般原则
对于暴露在外的层合板，在表面铺设织物或 ±45°层，将具有较好的使用维护性，也可 以改善层合板和压缩和抗冲击性能。另外， 铺设顺序对层合板稳定性承载能力影响很大 ，这一因素也应考虑。
层合板设计的一般原则
对于暴露在外的层合板，在表面铺设织物或 ±45°层，将具有较好的使用维护性，也可 以改善层合板和压缩和抗冲击性能。另外， 铺设顺序对层合板稳定性承载能力影响很大 ，这一因素也应考虑。
常用纤维的性能
材料选择-树脂
树脂基体是复合材料的另一组分材料，它对纤维 起着支撑、保护并传递载荷的作用。
基体性能对复合材料的横向力学性能、压缩和剪 切性能、耐老化性能、耐湿/热性能、介电性能 、阻燃性能、耐腐蚀性能等有决定性的影响
复合材料成形工艺性能，如流变性能、粘性和铺 覆性、凝胶时间、预浸料贮存稳定性、成形温度 、压力、时间等是由树脂基体直接支配的
工艺选择
结构外形构造及尺寸大小
满足材料性能和结构质量要求
生产批量大小，供货时间长短
工艺设备及技术水平
经济成本
层合板设计
又称铺层设计，最能体现复合材料应用单层 与方向相关特性，是复合材料结构设计特有 的内容。
设计内容 设计原则 设计方法
层合板设计内容
铺层角
铺层比例
复合材料结构在限制载荷作用下，不允许结 构有永久变形。 有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数 值可选取对应温度区间的平均值；对于刚度 有严格要求的重要部位，需要选取对应温度 区间的B基准值。
复合材料设计的一般原则
结构的可修理性和可更换性在初步设计阶段就 应予以考虑安排，可修理性设计应有试验支持
材料选择-选材试验矩阵
试验内容 试验件数量
低温干态 室温干态 高温湿态
评价重点
单层
0拉伸 0压缩
45拉伸 开孔压缩 开孔拉伸 螺栓-挤压 冲击后压缩
6
6 6
6
6
6
纤维控制性能
纤维/基体相互作用 纤维/基体相互作用
层合板（[45/0/-45/90]ns） 6 6 6 6 6 6 3
希望结构具备的品质
最小重量
最低成本
维护修理简单
装配过程中的互换性
结构设计分析流程
关于考试
时间：6月7日 18：00~20：00 地点：主M301 考试形式：开卷 注意事项：带上计算器
复合材料结构设计的内容
材料与铺层设计
结 构 设 计 与 工 艺 选 择
复合材料结构设计的内容
层合板设计的一般原则
铺层最小比例原则 为使复合材料的基体沿各个方向均不受载，对 于由方向为 0°、 90°、 ±45°铺层组成的层 合板，其任一方向的最小铺层比例应≥6%~10%
层合板设计的一般原则
冲击载荷区设计原则 局部加强 配置一定数量的±45°层
层合板设计的一般原则
连接区设计原则 应使与钉载方向成±45°的铺层比例 ≥40%，与钉载方向一致的铺层比例大于25%， 以保证连接区有足够的剪切强度和挤压强度， 同时也有利于扩散载荷和减少孔的应力集中。
材料选择-纤维
碳纤维由于性能好，纤维类型和规格多，成本 适中，在飞行器结构中应用最广。
凯芙拉（Kevlar）性能虽然尚佳，但在湿热环 境下性能明显下降，一般不用于主承力结构中 玻璃纤维由于刚度低，通常只用于整流罩、雷 达罩、舱内装饰结构等一些次要结构中。 硼纤维因其直径太粗且刚硬，成形和加工比较 困难，且价格十分昂贵，故应用不多。
层合板设计的一般原则
变厚度设计原则
在结构变厚度区域， 铺层数递增或递减应形成 台阶逐渐变化，因为厚度 的突变会引起应力集中。 要求每个台阶宽度相近且 ≥60°，台阶高度不超过 宽度的1/10。然后在表面 铺设连续覆盖层，以防止 台阶外发生剥离破坏。
层合板设计的一般原则
开口区铺层原则
在结构开口区应使相邻铺层的夹角≤60°，以减 少层间应力。开口形状应尽可能采用圆孔，因为圆孔 边应力集中较小。若必须采用矩形孔，则拐角处要采 用半径较大的圆角。开口时，切断的纤维应尽可能少
铺层顺序
层合板设计的一般原则
均衡对称原则 结构一般均设计成均衡对称层合板形式，以避免 拉-剪、拉-弯耦合而引起固化后的翘曲变形。 如果设计需要采用非对称或非均衡铺层，应尽可 能将非对称和非均衡铺层靠近中面，可减小层合 板工艺变形。
层合板设计的一般原则
铺层定向原则 在满足受力的情况下，铺层方向数应尽量少，以 简化设计和施工的工作量。 一般多选择 0,90和 ±45等4种铺层方向。如需要 设计成准各向同性层合板，可采用[0/45/90/-45]S 或[60/0/-60]S层合板。
(1)利用经典层合板理论，画出毯式曲线
(2)确定铺层比例和铺层数
毯式曲线设计法
毯式曲线设计法
毯式曲线设计法
毯式曲线设计法
毯式曲线设计法
毯式曲线设计法
气动弹性剪裁法
气动弹性剪裁法则是利用复合材料的各向异 性及其各种耦合效应进行铺层设计，以获得 预期的结构柔度特性或产生某种希望的特定 变形规律来提高设计性能和静、动气动弹性 特性(如提高机翼的颤振速度；防止前掠翼的 扭转扩大并提高其发散临界速度)。
F12 F11F22 / 2
复合材料设计的一般原则
当结构使用范围很宽或材料在不同温度下性 能变化较大时则应力分析选取的力学性能数 据应按温度区间选取 弹性常数选取相应温度区间测定的平均值 强度计算采用材料在相应温度区间的许用值 外载荷应选取相应温度区间各工况情况的最 大使用载荷
复合材料设计的一般原则
复合材料设计的一般原则
复合材料的许用值分为 许用值-试验测定
设计值-设计师规定
许用值数据分散性处理与选用
A基准值(95%,99%)-主承力或单传力途径
B基准值(95%,90%)-次承力或多传力途径
复合材料的许用值是指许用应变，金属一般是许 用应力
复合材料设计的一般原则
强度准则只适用于复合材料单层，未规定强 度准则时，一般选用蔡-吴张量准则
复合材料设计的一般原则
雷电防护措施应安全 可靠
EADS公司的CEO路易斯. 加卢瓦曾反对复合材料机 身设计，认为不利于防雷 击。工程人员提出了金属 内部构架和复合材料蒙皮 混合结构，通过金属结构 网络形成“电网”，解决 这一问题。
复合材料结构设计基础
张纪奎
zjk@ 继教楼205
提纲
结构设计过程 材料与工艺选择 层合板设计
结构设计
复合材料结构设计过程
结构设计目标：创建满足特定要求的结构，同 时具有令人满意的特定品质。
典型的设计要求
配合、形状和功能 作用的载荷 耐腐蚀、耐油液等环境要求 热膨胀系数匹配 频率配置
减重效果可达10%~15%。
准网络设计法
不考虑机体的刚度和强度，仅考虑纤维的刚 度和强度，按应力方向和大小确定铺层比例 和总数的设计方法。又称应力比设计方法。
适用于面内变形下的层合板设计。
毯式曲线设计法
毯式曲线：复合材料的工程弹性常数或强度随层合 板铺层比例变化所构成的列阵图。
毯式曲线设计法
毯式曲线设计法:对于设计给定刚度或强度要 求的层合板，利用毯式曲线确定各定向单层 的比例和层数。 步骤：
如果不得不使用时， 一般不超过4层，以 减少两种定向层的开 裂和边缘分层。
层合板设计的一般原则
铺层顺序原则
如果层合板中含有 ±45°层、 0°层和 90°层，应尽量在 +45°层和 -45°层之间 用 0°层或 90°层隔开，在 0°层和 90° 层之间用 +45°层或 -45°层隔开，并应避 免将 90°层成组铺放，以降低层间应力。
层合板设计的一般原则
对采用缠绕工艺制造的结构，铺层角不受上 述π/4角度的限制，但一般采用±α缠绕角。
层合板设计的一般原则
铺层取向按承载选取原则
层合板设计的一般原则
铺层的纤维轴向应与内力的拉压方向一致，以最大限 度利用纤维轴向的高性能
若承受单轴向拉伸或压缩载荷，纤维铺设方向与载 荷一致；
常用树脂性能比较
材料选择-选材原则
按机体结构分类（主承力结构还是次承力结 构）、受载情况和工作环境条件，选择具有 良好耐使用环境性（耐湿热、耐冲击、耐介 质等）的复合材料品种类型。所选复合材料 的性能应与结构设计性能要求相匹配。