复合材料结构设计基础共35页文档
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。
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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。
复合材料结构设计
§2.1 单层板的正轴刚度
二、基本知识 1、1-2坐标系
1向为纵向，即刚度较大的材料主方向； 2向为横向，即刚度较小的材料主方向。
§2.1 单层板的正轴刚度
二、基本知识 2、应力符号 正应力的符号：拉为正，压为负（与材料力学一致） 剪应力的符号：正面正向或负面负向为正，否则为负 （材料力学中的剪应力企图使单元体顺时针向转时为 正，逆时针向转时为负不同） 正面：指该面外法线方向与坐标轴方向一致的面，否 则称为负面； 正向：指应力方向与坐标方向一致的方向，相反时为 负向。
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 , E 2 , G12 0 同理可得：
(二)模量分量
①意义（定义）
Q11 ME1 , Q22 ME2 , Q66 G12 , Q12 M 2 E1 , Q21 M 1 E 2 Q16 Q61 Q26 Q62 0
(二)模量分量
应力－应变关系式（用模量分量表示）
1 Q11 2 Q 21 Q 12 61 Q12 Q 22 Q 62 Q16 1 Q11 Q 26 2 Q 21 Q66 12 0 Q12 Q 22 0 0 1 0 2 Q66 12
§1.4 复合材料的应用和发展
1、发展简史 2、现状 链接： /b/189741 1-1275526951.html
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
复合材料结构设计
复合材料结构设计是指通过合理的结构设计来达到理想的力学性能和使用要求。
下面将以复合材料汽车车身结构设计为例，简要介绍复合材料结构设计的主要内容和步骤。
首先，在复合材料结构设计前需要明确设计目标和要求，包括车身的总质量要求、刚度要求、强度要求、疲劳寿命要求等。
同时还需要确定复合材料的成本、可制造性和可靠性等指标。
接下来，需要根据设计要求进行初步布局和尺寸参数的选择。
这一步需要考虑到复合材料的强度、刚度和冲击性能等特点，合理确定各部位的材料的取向和层厚。
在布局和尺寸参数确定后，可以进行结构的初步设计。
这一步主要包括结构的整体设计和细节设计。
整体设计时，需要考虑复合材料的各向异性和受力性能，合理安排部件的布置和材料的取向。
细节设计时，需要考虑结构中的连接、接头和孔洞等细节，并进行适当的优化设计。
在设计过程中，还需要进行强度校核和疲劳寿命估算。
强度校核时，需要根据材料的力学性能参数和结构的应力分布，计算各部位的应力和变形，并与材料的极限强度和弹性模量进行比较。
疲劳寿命估算时，需要根据复合材料的疲劳性能参数，计算各部位的疲劳寿命，并与要求的寿命进行比较。
最后，设计完成后需要进行结构的验证和试验。
验证时，可以使用有限元分析等数值方法对结构进行模拟计算，评估结构的
强度和刚度性能。
试验时，可以使用物理试验的方法对结构进行加载测试，验证结构的实际性能。
综上所述，复合材料结构设计是一个综合性的工程问题，需要考虑材料的特性、结构的力学性能和使用要求等多个方面。
通过合理的结构设计和验证，可以达到理想的力学性能和使用要求。
复合材料结构设计
复合材料结构设计复合材料是由两种或两种以上的不同材料组成的一种新型材料，具有优良的综合性能，在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域有着广泛的应用。
复合材料结构设计是指在满足特定工程要求的前提下，通过合理的结构设计，使得复合材料结构在使用过程中能够充分发挥其优越性能，提高材料的使用寿命和安全性。
首先，复合材料结构设计需要充分考虑材料的力学性能。
复合材料由于其不同材料的组合，具有优异的强度、刚度和耐热性能，因此在结构设计中需要充分考虑材料的受力情况，合理确定材料的受力方向和受力面积，以确保结构在承受外部载荷时不会发生破坏。
同时，还需要考虑材料的疲劳寿命和耐久性，通过合理的结构设计和材料选择，延长结构的使用寿命，提高结构的可靠性。
其次，复合材料结构设计需要考虑材料的成型工艺。
复合材料的成型工艺对其性能和结构具有重要影响，因此在结构设计中需要充分考虑材料的成型工艺，合理确定结构的形状和尺寸，以便于实现成型工艺要求。
同时，还需要考虑成型工艺对材料性能的影响，通过合理的结构设计和成型工艺选择，确保材料在成型过程中不会发生损伤和变形，保证结构的质量和稳定性。
最后，复合材料结构设计需要考虑结构的整体性能。
复合材料结构是由多个材料组成的复合结构，因此在结构设计中需要充分考虑不同材料之间的协同作用，合理确定材料的组合方式和连接方式，以确保整体结构具有良好的整体性能。
同时，还需要考虑结构在使用过程中的热胀冷缩、振动和冲击等外部环境因素对结构的影响，通过合理的结构设计和材料选择，提高结构的抗热、抗振和抗冲击能力，确保结构在复杂的使用环境下能够稳定可靠地工作。
综上所述，复合材料结构设计是一个综合性的工程问题，需要充分考虑材料的力学性能、成型工艺和结构的整体性能，通过合理的结构设计和材料选择，使得复合材料结构能够充分发挥其优越性能，提高结构的使用寿命和安全性。
希望本文能够对复合材料结构设计有所帮助，谢谢阅读！。
复合材料工艺详解(共35页)
复合材料(fù hé cái liào)工艺详解——热固与热塑树脂(shùzhī)热固性树脂(shùzhī)成型工艺手糊成型(chéngxíng)工艺（手糊类）手糊成型：用纤维增强材料和树脂胶液在模具上铺覆成型，室温（或加热）、无压（或低压）条件下固化，脱模制成品的工艺方法。
1.原料：①树脂：不饱和聚酯树脂，环氧树脂；②纤维增强材料：玻纤制品（无捻粗纱、短切纤维毡、无捻粗纱布、玻纤细布、单向织物），碳纤维，Kevlar纤维；③辅助材料：稀释剂，填料，色料。
2.工艺过程：2.1 原材料准备2.1.1胶液准备胶液的工艺性主要指胶液粘度和凝胶时间。
①手糊成型的胶液粘度控制在0.2Pa·s～0.8Pa·s之间为宜。
环氧树脂可加入5%～15%（质量比）的邻苯二甲酸二丁酯或环氧丙烷丁基醚等稀释剂进行调控。
②凝胶时间：在一定温度条件下，树脂中加入定量的引发剂、促进剂或固化剂，从粘流态到失去流动性，变成软胶状态的凝胶所需的时间。
手糊作业前必须做凝胶试验。
但是胶液的凝胶时间不等于制品的凝胶时间，制品的凝胶时间不仅与引发剂、促进剂或固化剂有关，还与胶液体积、环境温度与湿度、制品厚度与表面积大小、交联剂蒸发损失、胶液中杂质的混入、填料加入量等有关。
2.1.2增强材料的准备手糊成型所适用增强材料主要是布和毡。
需要注意布的排向，同一铺层的拼接，布的剪裁。
2.1.3胶衣糊准备胶衣树脂的性能指标：外观：颜色均匀，无杂质，粘稠状流体；酸值：10mgKOH/g～15mgKOH/g（树脂）；凝胶时间：10min ～15min；触变指数(zhǐshù)：5.5～6.5；贮存(zhùcún)时间：25℃ 6个月2.1.4手糊制品厚度(hòudù)与层数计算①手糊制品(zhìpǐn)厚度t:制品（铺层）的厚度；m：材料质量，Kg/m2；k：厚度常数，mm/(Kg·m-2)材料厚度常数k表材料性能玻璃纤维E型 S型 C型聚酯树脂环氧树脂填料-碳酸钙密度（Kg/m3）2.56；2.49；2.45 1.1；1.2；1.3；1.4 1.1；1.3 2.3；2.5；2.9k[mm/(Kg·m-2)]0.391；0.402；0.408 0.909；0.837；0.769；0.714 0.909；0.769 0.435；0.400；0.345②铺层层数计算A：手糊制品总厚度，mm；m f：增强纤维单位面积质量，Kg/m2；kf：增强纤维的厚度常数，mm/(Kg·m-2)；kr：树脂基体的厚度常数，mm/(Kg·m-2)；c：树脂与增强材料的质量比；n：增强材料铺层层数。
11.第十一次课——复合材料连接+复合材料结构设计基础(原耿)
1I f v f m vm
1 f v f m (1 v f )
考虑到实际复合材料中存在孔隙、裂纹、损伤、缺陷、残余应 力、界面结合不完善以及纤维微观屈曲等因素，加入修正系数K1
1 K1[ f v f m (1 v f )]
对于玻璃纤维/环氧树脂复合材料，K1取0.95-1
被胶接件拉伸 （或拉弯）破坏
被胶接件剥离破坏
胶层的剪切破坏
胶层剥离破坏
5.2 胶接连接设计
5.2.1胶接连接的破坏形式 除以上三种破坏形式之外，还会发生组合破坏，胶接 连接的破坏形式与以下因素有关： 连接形式 近邻胶层的纤维方向
载荷性质
连接几何参数
被胶接件 的厚度
5.2 胶接连接设计
5.2.1胶接连接的破坏形式
胶螺连接
胶铆连接
5.1 复合材料连接特点 混合连接的优缺点
优点：可提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳和抗蠕变等性能； 缺点：存在孔应力集中带来的不利影响，增加重量和成本 混合连接仅在某些特定情况下才使用，并且需要选用 韧性胶黏剂，提高紧固件与孔的配合精度，以使胶接变形 与机械连接变形相协调，避免剪切破坏。
4.3 单向连续纤维复合材料弹性常数的预测
4.3.4 组合模型的弹性常数
整个模型由中间增强层I和表面基体层II组成，由基体薄片和纤维薄 片组成的增强层在横向呈串联形式. 整个复合材料单层由 表面层和增强层以并 联形式组合而成，在 增强层内部横向的基 体薄片和纤维薄片为 串联形式。
表面层
增强层
表面层
4.3 单向连续纤维复合材料弹性常数的预测
4.3.4 组合模型的弹性常数
1 纵向弹性模量E1
E1 E f 1v f Em (1 v f )
第五章复合材料结构设计基础
• 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%.
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
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
第一 复合材料结构设计特点
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
第二 设计条件与原则
• • • • • • • • 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
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:
第五章 复合材料结构设计基础
复合材料结构设计:
既是一门科学,又是一是材料设计者.
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
第04章-复合材料结构设计基础
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。
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
层合板设计方法
等代设计法 准网络设计法 排序设计法 毯式曲线法 气动剪裁设计 优化设计法 特殊设计
等代设计法
在载荷和使用环境基本不变的情况下，稍微考 虑一些复合材料的特点，采用相同形状(或适当 改变形状)的复合材料构件代替其他材料，并用 原来的设计方法进行设计。 一般采用等刚度设计后，再作强度校核。
设计值剪切剪切设计许用应变的确定应用足够数量由数据的可靠性要求决定45层合板在室温大气环境下进行试验在最严重的使用环境条件下进行一定数量的试验测定的剪切应变经统计分析获得纵横剪切需用应变积木式方法积木式方法确定设计值需要进行的结构试验加筋板冲击损伤许用应变确定实例加筋板冲击损伤许用应变确定实例加筋板冲击损伤许用应变确定实例加筋板冲击损伤许用应变确定实例加筋板冲击损伤许用应变确定实例现有部分复合材料结构部件设计值设计值安全系数限制载荷是在预定的正常条件下的最大载荷极限载荷是限制载荷乘以适当的安全系数安全系数是一个设计系数用来防止载荷大于预定正常飞行条件下载荷的可能和设计中的不精确安全系数一般取15安全系数确定安全系数主要考虑的因素复材结构制造与使用经验典型飞机结构设计机身结构翼面结构形式硬壳式结构单块式结构波音737水平安定面复合材料翼盒结构布局b787机翼结构设计全高度夹层结构波音767复合材料外侧副翼旋翼桨叶的结构形式旋翼桨叶的结构形式旋翼桨叶的结构形式旋翼桨叶的结构形式复合材料机身结构形式结构型式与金属结构类似多为半硬壳式结构且大多采用共固化技术制成整体件
12.第十二次课——复合材料结构设计基础
5.3.1 机械连接的破坏形式
紧固件的破坏 连接板的破坏
破坏形式 剪切破坏 拉伸破坏 挤压破坏
5.3 机械连接设计
5.3.1 机械连接的破坏形式
紧固件的破坏
载荷从一块板通过螺栓传递到另一块板上，螺栓承受 剪切破坏
两板合力作用线不重合，接头在载荷作用下将产生弯 曲，接头端部上翘，紧固件（螺栓）承受
拉伸破坏
当环境温度不超过70℃时，尽量选 用韧性胶
5.2 胶接连接设计
5.2.2 胶接连接设计基础
（3）胶黏剂及其选择
5.2 胶接连接设计
5.2.2 胶接连接设计基础
（4）减小剥离应力、提高接头强度的设计措施
（1）较厚的被胶接件必须采用阶梯形搭接或斜面搭接的连接形式， 避免单搭接。
5.2 胶接连接设计
5.2 胶接连接设计
5.2.2 胶接连接设计基础
（3）胶黏剂及其选择
胶黏剂选择的原则
① 与被胶接件相容性好，粘结强度高，不在胶接界面发生破坏
② 固化温度低，工艺性好，使用方便 ③ 与被胶接件的热膨胀系数接近，以便降低热应力 ④ 有较好的综合力学性能（剪切强度、剥离强度、湿热老化性 能）和良好的韧性 ⑤ 适合于复合材料之间以及复合材料与其它材料之间的胶接
5.2.2 胶接连接设计基础
（4）减小剥离应力、提高接头强度的设计措施 （5）被胶接件的刚度、热膨胀系数要匹配，以便降低剥离应力。
（6）尽量减少偏心和不对称在结构中产生的剥离应力，采用对称 双搭接形式。
5.3 机械连接设计
机械连接的概念
复合材料结构设计中另一种主要的连接形式，包括螺栓连接和 铆钉连接两种。铆钉连接一般用在受力较小的复合材料薄板上；螺 栓连接广泛应用于承载能力较大和比较重要的受力构件上。
3 复合材料结构设计基础解析
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
这里
若单层厚度为 h 0，则 总层数为
nx hx / h0 , n y hy / h0 , nxy hxy / h0
3.2.4.5 毯式曲线设计法 （1）画出毯式曲线图 （2）确定定向层比和定向层层数
例：现需一T300/QY8911层合板，要求层合板面内拉伸弹性模量 GPA，拉 伸强度 MPA，试确定各定向单层比例。 解：（1）确定采用π/4层合板，并先任选一层比例，如0°层60%， ±45°层20%，则90°层为20%。一旦选定铺层方式，就能确定相应的 性能。即 。 （2）为了得到层面板内拉伸弹性模量 ，把图中x和y坐标互换，即 0°层合90°层含量互换，则变成这两张图中的B点，该点的 。 （3）由于 大于所需值，而 小于所需值，故需对铺层比例进行调整。 如改0°层为40%,90°层40%，±45°层20%，在图中对应C点，其 =647MPa， =65.5GPa。x和y轴互换仍为C 点，所以 =65.5GPa。因此， 和 均满足要求。进一步调节是从安全系数上获益。 当然如用非π/4层和板也能满足要求，但计算和工程上均较麻烦。 也可用同样方法确定其他特性，如剪切模量、压缩强度、泊松比 和热膨胀系数。
N x : N y : N xy 1 : K1 : K 2
* * * K1 N * y / N x , K 2 N xy / : n y : nxy 1 : K1 : 2K 2
复合材料结构设计
复合材料结构设计
在进行复合材料结构设计时，需要考虑以下几个方面：
1.确定设计目标和要求：首先需要明确设计的目标和要求，包括结构
刚度、强度、重量限制等。
根据不同的应用场景，可能还需要考虑其他特
殊要求，如防雷、隔热等。
2.材料选择：复合材料由纤维和基体材料组成。
纤维材料可以是碳纤维、玻璃纤维等，基体材料可以是环氧树脂、聚酰亚胺等。
根据设计要求
和材料的特性，选择合适的纤维和基体材料。
3.结构设计：在考虑材料特点的基础上，进行结构设计。
包括选择适
当的结构形式、尺寸和加工方法。
常见的结构形式包括板、梁、壳等。
在
设计过程中，需要考虑结构的刚度、强度和稳定性等方面。
4.加工工艺：复合材料的加工过程比金属材料复杂且特殊。
加工工艺
包括纤维预浸料的制备、纤维层叠、固化等。
要选择适合的加工工艺，既
能满足设计要求，又能控制加工成本。
5.结构优化：通过仿真和试验等手段，优化结构设计。
在优化过程中，需要考虑材料和制造工艺的限制，找到最优设计方案。
综上所述，复合材料结构设计涉及多个方面的考虑，需要综合考虑材
料特性、结构形式、加工工艺等因素。
随着材料科学和工程技术的发展，
复合材料结构设计将在更多的领域得到应用，为工程设计带来更多的可能性。
《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。
复合材料结构设计
§1.1 复合材料的命名及分类
2、按基体材料的性质分
复合材料 金属基复合材料 非金属基复合材料
高聚物基 复合材料
陶瓷基 复合材料
树脂基 复合材料
橡胶基 复合材料
碳及碳化物 基复合材料
非碳基 复合材料
热固性树脂基 复合材料
热塑性树脂基 复合材料
§1.1 复合材料的命名及分类
3、按增强材料的形状分
复合材料
(二)模量分量
④举例：材质为E-玻璃/环氧复合材料的工程弹性常数，已知应变分量为ε1=0.01 ε2=0.001 γ12=0.003，求应力分量。
解题步骤：
查表求各参数P25 求ν2，M
求模量分量（对称性） 求应力分量 解：由表2-1查得：E1=38.6GPa E2=8.27GPa ν1=0.26 G12=4.14GPa
§2.1 单层板的正轴刚度
二、基本知识 1、1-2坐标系
1向为纵向，即刚度较大的材料主方向； 2向为横向，即刚度较小的材料主方向。
§2.1 单层板的正轴刚度
二、基本知识 2、应力符号 正应力的符号：拉为正，压为负（与材料力学一致） 剪应力的符号：正面正向或负面负向为正，否则为负 （材料力学中的剪应力企图使单元体顺时针向转时为 正，逆时针向转时为负不同） 正面：指该面外法线方向与坐标轴方向一致的面，否 则称为负面； 正向：指应力方向与坐标方向一致的方向，相反时为 负向。
复合材料结构设计
复合材料1011
第一章 绪论
一、研究对象 二、具备知识 三、研究内容 四、研究任务 五、研究意义
§1.1复合材料的命名及分类
一、命名 二、分类
§1.1 复合材料的命名及分类
1、按用途分 功能型复合材料：电、磁、声、光、热； 举例：纳米抗菌、远红外、抗紫外线多 功能复合材料 结构型复合材料：主要用于结构承力或 维持结构外形；举例：补强、加固
第九章--复合材料的结构设计
第三十一页，共36页。
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
载荷情况
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。
第十一页，共36页。
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。
⑥厚度变化区以阶梯过渡。
0º 主承载
±45º 分散应力
第三十页，共36页。
2）等代设计法（P96）：
①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。
复合材料的设计
结构设计
铺层设计
单层材料设计
确定产品结构的形状和尺寸
对铺层材料的铺层方案做出合理安排，决 定层合板性能
正确选择增强材料、基体材料及其配比 ，决定单层板的性能
第五页，共36页。
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。
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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
不连续纤维 复合材料
颗粒直径范围1~50μm，颗 粒体积含量25％~70%，增层强合颗 粒之间由的无距纬离布一或般纤大维于1μ结m。构 颗粒的织作物用铺：叠由而于成颗粒本复身合的 刚硬阻止基体变形而起到材增料强 作用。
多向 编织 复合 材料
聚
丙
我国碳纤维工业发展缓慢，与发
烯
达国家比较存在很大差距。
腈
国内碳纤维发展过程
基
中国PAN基CF市场概况、特点
纤 维
大力发展聚丙烯腈基纤维既有需
发
要也有可能。
展
玻璃纤维结构调整
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 材料点发展物理回收（粉碎回收）、化学回 收（热裂解）和能量回收，加强技术路线、综 合处理技术研究，示范生产线建设，再生利用 研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的应用、 在拉挤制品中的应用以及在SMC/BMC模压制 品中的应用和典型产品中的应用。
1.3复合材料及其结构设计的特点
1.3.1比强度高、比模量高
纤强度维、增低强模塑量料、是低由密高度强、度韧、((内12))性脆部组由较性缺分于好、陷材纤低的要料维树密比密具脂度块度有基的状都 很纤体形较小所维式低的组材的；直成料材径与。料，低少其
Al2O3晶须/铝
得多碳，化所硼以/铝强度较高。
σ/r(106cm)
10 2 3 4 5
碳纤维增强环氧树脂复合材 料、玻璃纤维增强不饱和聚 酯树脂复合材料等。
(4) 俗称
玻璃钢就是玻璃 纤维增强树脂基 复合材料的俗称
1.2 复合材料的发展简史与现状
泥坯(稻草掺入泥中)、 弓(木材为芯，在受拉 面胶有平行的纤维)。
十九世纪末期出现由纤维增强 橡胶制成的轮胎、橡胶布。
20世纪40年代初，美国首先用玻璃纤维 增强塑料制造飞机雷达天线罩。之后，玻 纤增强塑料（我国俗称玻璃钢）广泛用于 航空、造船、汽车、化工、电器等国防和 国民经济各部门。
我国先进复合材料的应用和研究是从20 世纪60年代末期开始的。
复合材料创新 聚丙烯腈基纤维发展 玻璃纤维结构调整 开发能源、交通用复合材料市场 纤维复合材料基础设施应用 复合材料综合处理与再生
复
包括复合材料的技术发展、复合材料的
合
工艺发展、复合材料的产品发展和复合
材 料 创 新
材料的应用，具体要抓住树脂基体发展 创新、增强材料发展创新、生产工艺发 展创新和产品应用发展创新。
缠绕 结构 复合 材料
由短纤切维粗纱晶缠须 绕纤或维纤维织复物合 带复按合一定缠材绕料 规材律料卷绕而成
(1) 强调基体
即强调了基体材料的 种类和特征
酚醛树脂基复合 材料、铝合金基 复合材料等
(2) 强调增强体 即强调增强材 料的
种类和性质
碳纤维复合材料、金 属纤维复合材料、玻 璃纤维复合材料等
(3) 基体与增强体并用 即同时出现基体材料 和增强体材料
以其力学性能如强度、刚
结构复合材料
度、形变等特性为工程所 应用，主要用于结构承力
或维持结构外形。
用
途
以其声、光、电、热、磁等 物理特性为工程所应用，用于如
功能复合材料 绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减
振或热变形等热、声、光、电、
磁的功能要求。
基体材料(连续相)
组成
增强材料(分散相)
粘结、保护 纤维，并传 递应力
开发能源、交通用复合材料市场
清洁、可再生能源用复合材料； 汽车、城市轨道交通用复合材料； 民航客机用复合材料； 船艇用复合材料。
纤维复合材料基础设施应用
国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中 的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优 点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工 程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。
玻璃/ 环氧
硼/环氧 碳/环氧
Al2O3晶须/Ni
铍
复合材硼/料铝 在飞机上使
钢 铝
硼/钼 用先量进硼已性/镍作的为指当标代之飞一机
几种常用 材料和纤 维增强复 合材料比 强度、比 模量的比 较
3 45
10
E/r(106cm)
20 30 40
材料名称 钢 铝
玻纤/聚酯CM 碳纤/环氧CM
比强度 0.13 0.17 0.53 1.03
复合材料
金属基复 合材料
非金属基 复合材料
高聚物基 复合材料
陶瓷基复 合材料
树脂基复 合材料
橡胶基复 合材料
热固性树脂 基复合材料
热塑性树脂 基复合材料
颗粒直径范围0.01~0.1复μm合，材料 颗粒体积含量1％~15％。颗
粒位的 错作运颗复用动粒合：而增材阻起强料止到基增体强材作料用的。
纤维增强 复合材料