复合材料层合结构强度比分析与评价
板锥网壳结构复合材料层合板的强度分析
用， 同时集承 重 、 护 、 饰 为 一 体 ， 质 高 强 ， 有 围 装 轻 具 良好 的技术经 济 效 益 ， 并且 具 有 鲜 明 的建 筑 视 觉 效
果， 因此 得到 了广泛 的应 用 。
和优点 ， 有必要 进行 层合 板合 理 的铺层 设计 ， 以在 所 复合 材 料板锥 网壳 结 构 中 ， 度也 是 主 要 设 计 控制 强
度 的空 间杆 单 元 Ｌｎ８ 对 于 三 角 形 板 单 元 ， 用 ４ ｉｋ ； 采
节 点有 限应变 壳单 元 Ｓ ｅｌ８ ， ｈ ｌ １ 每节 点 ６自由度 。复 ｌ
合材料建模 的难 点是如何 准确模 拟层合板铺层设
计 ， Ａ Ａ Ｙ软 件 中 ， 料 坐 标 系是 确定 材 料 属性 在 Ｎ Ｓ 材
线性 等一 系列 力 学 特 点 ， 的力 学 问 题 比均 匀 、 它 连
收 稿 日期 ：２０ ．０２ ０ ９１ －７
合材料 板锥 网壳 结构设 计 和层合 板铺 层设 计 提供 理
论 上 的依据 。
２ 复合材料板锥 网壳结构分析方法
对 于复 合材 料板 锥 网壳 结 构 ， 文 只考 虑 采 用 本 上弦杆 的锥 顶 节点 为 铰 接 ， 面 节 点为 刚接 的计 算 底 模 型 。在 Ａ Ｓ Ｓ模 型 中 ， 件单 元取 ２节 点 ６自由 ＮＹ 杆
材料 破坏 时 的载 荷 （ 首层 破 坏 强 度 ） 末 层 破 坏 时 和
锥体 单元
的载 荷 （ 层破 坏 强度 ） 对 复 合 材料 层 合 板 自身 的 末 ， 强度 和主要 影 响 因 素进 行 全 面 和深 入 的研 究 ， 复 为
图 １ 板 锥 网壳 结 构 不 恿 图
由于复合 材 料 板 材 “ 质 、 强 ” 比强 度 比普 轻 高 ， 通钢材 高很 多 ， 有强度 和 弹性性 能 的可设 计 性 ， 具 特 别 适合 应用 于板锥 网壳 结构 的予 制锥体 单 元 。文献 ［］ ２ 对玻 璃钢板 材 在 板锥 网壳结 构 中的应 用 进行 了 初 步研 究 ， 只是 对板 锥 网壳结 构进行 整体 分 析 ， 没有 对 组成锥 体单 元 的复合材 料板 件 自身 的一 系列力 学 问题 进行 研究 ， 材料设 计 和结构 设计 没有 同时进 行 。 但是 复合 材料具 有各 向异性 、 均匀性 、 层 间剪 切 不 低 模量 和低层 问剪 切 抗 拉 强 度 、 几何 非 线 性 和 物 理 非
复合材料层合结构强度比分析与评价
系 数 最 小 ２ ０ ． ５ ２ ９ ． ６ ６ ｌ １ ． ６ ３ ｌ ｌ ＿ ３ ２ ２ ０ ． ５ ２ １ ． ４ ７ ９ ． ０ ３ 强 度
工程上 ， 对于大型储罐 的设计 ， 用 国内的最大应力准则比较准确 ， 安全。国外 Ａ Ｓ ＭＥ标 准中的强度 比为 １ ． ６的标
准 要 谨 慎 运用 。 关键 词 ： 复 合 材 料 强度 准 则 最 小 强度 比 最小 安 全 系 数 中图 分 类 号 ： Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文 献标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ７ — ３ ９ ７ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ０ ２ － ０ ３ ０ － ０ ２
１ 引言
例如： 在 针对 储 罐 设 计 时 ， 国 内的一 般 按 结 构 的 层 合 板 的 复合材料越来越被人重视 ，应用 也越来越广 。在复合材 表 观 强度 与实 际表 观应 力之 比进 行 分析 ， 一般取 ｌ ０倍 。而 美
料结构设计 中， 结构 的安全性是一个很重要的因素， 也是设计 国的Ａ ＭＳ Ｅ 标准 ， 当容器不在极端条件使用时， 层合板的结构 者 非 常 重 视 的 问题 。 我们 通 常 用 强度 比和 安 全 系数 来 衡 量 结 层 的各 层 在各 种 荷 载 组合 下 的最 小 强度 比 为 １ ． ６ ， 在 极 端 条 件 构 的安 全 状 况 。 时各 层 最 小 强度 比需 为 ２ ，而 内衬 的强 度 比一 般 取 ８ ～ １ ０ 。这 然而 ， 目前 国内外相关标准中有关复合材料层合结构强 两种 强 度 准 则有 很 大 的 区别 。 度 比的准则并不 同。 目前 国外使用的相关准则为“ 蔡． 吴准 则” ， 针 对 这 种现 状 ， 本 文通 过 建 立 两种 不 同 的有 限 元 模 型 ： 一 而 国 内 主要 采 用 最 大 应 力 和最 大 应 变 准 则 。但 是 ， 目 前 并 没 类是以层合结构的表观参数输入 的氧化塔筒体的有 限元模型 有专门的理论知识来介绍这两类强度准则的联系与差别。
复合材料结构设计分析与力学性能测试
层合板设计的主要内容选择合适的单层铺设角-铺层方向；确定各铺设角单层的层数百分比-铺层比；确定铺层顺序：直接影响到层合板的刚度、强度、稳定性、振动、工艺性和使用维护性。
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一、复合材料结构设计流程
层合板设计的主要内容铺层结构简化表示
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一、复合材料结构设计流程
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一、复合材料结构设计流程
确定各铺设角单层的层数百分比-铺层比 若需设计成准各向同性层合板，采用[0/45/90/-45]s。0:90:±45铺层比0.25：0.25：0.50 准各向同性层合板：[A]为各向同性，与方向无关；各层具有相同的[Q]和相同的厚度；各层之间夹角相等。
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一、复合材料结构设计流程
层合板的设计方法
序
设计方法
方法要点
说明
1
等代设计
采用准各性同性层合板按刚度等代铝板
2
准网格设计
设计中仅考虑纤维承载能力，按应力比确定0、90、45纤维铺层比例
3
刚度设计毯式曲线设计
以面内刚度为主，设计铺层比例与面内强、刚度关系曲线，查出所需铺层比例
层合板初步设计方法
一、复合材料结构设计流程
1、明确设计条件： 性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制等。2、材料设计： 原材料选择、铺层性能确定、层合板设计等。3、结构设计： 复合材料层合板设计、结构典型特征的设计、夹芯结构设计、复合材料接头设计等。
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一、复合材料结构设计流程
设计分析制造一体化 在材料设计和结构设计中都涉及到应变、应力与变形分析、失效分析，以确保结构的强度和刚度。 复合材料结构往往是材料与结构一次成型的，且材料也具有可设计性。
基于复合材料的结构强度与可靠性分析
基于复合材料的结构强度与可靠性分析摘要：在当今工程领域，复合材料作为一种重要的材料类型，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、建筑等领域。
复合材料的优异性能和轻量化特点使其成为替代传统材料的理想选择。
然而，复合材料的结构强度和可靠性分析是确保其安全性和可持续发展的关键问题。
关键词：复合材料；结构强度；可靠性分析引言复合材料具有独特的力学性能，如高强度、低密度、良好的疲劳和腐蚀性能等。
通过对复合材料结构强度和可靠性的分析，可以深入理解复合材料的力学行为和性能特点，进一步提高结构的强度和性能。
这对于设计和制造更轻、更强、更耐久的工程结构具有重要意义。
1复合材料概述复合材料是指将两种或更多的物质结合在一起，使其具有更好的物理化学特性。
一种普通的复合材料构造是用加强材和基础材构成的。
补强材料一般为纤维，粒子或片状，例如碳纤维，玻璃纤维，陶瓷粒子等。
而基质是加固物的承载物，起到加固物的作用，也起到了承载力的作用。
复合材料的特征在于其强度、刚度、韧性和耐磨性都高于单个物质，并且还具有较小的密度和优良的耐蚀性。
复合材料的组成和结构能够按照应用的需要来调节，从而达到满足各种领域的需要，其广泛的使用和持续的创新促进了材料科学和工程领域的发展。
2复合材料的结构强度分析2.1结构强度分析对复合材料进行了强度分析，它需要对复合材料的强度性能和结构设计进行全面的分析。
在复合材料的结构强度分析中，首先需要了解材料的力学性质，如拉伸强度、剪切强度、弯曲强度等。
这可以通过实验测试和材料力学模型的建立来获得。
其次，结构强度分析需要考虑复合材料的结构设计和载荷情况。
结构设计涉及到复合材料的几何形状、层压顺序和厚度等参数的选择。
载荷情况可以是静态加载或动态加载，需要考虑不同方向上的载荷分布和载荷的大小。
基于以上信息，可以采用数值模拟方法进行结构强度分析。
常用的方法包括有限元分析、边界元分析和解析方法等。
这些方法可以通过建立合适的材料模型、结构模型和加载条件来模拟复合材料结构在外部载荷下的响应。
第11章复合材料层合板的强度分析
第11章 复合材料层合板的强度力分析复合材料层合板中单层板的铺叠方式有多种，每一种方式对应一种新的结构形式与材料性能。
层合板的应力状态也可以是无数种，因此各种不同应力状态下层合板的强度不可能靠实验来确定．只能通过建立一定的强度理论，将层合板的应力和基本强度联系起来。
由于层合板中各层应力不同，应力高的单层板先发生破坏，于是可以通过逐层破坏的方式确定层合板的强度。
因此，复合材料层合板的强度是建立在单层板强度理论基础上的。
另外，由层合板的刚度特性和内力可以计算出层合板各单层板的材料主方向上的应力。
这样就可以采取和研究各向同性材料强度相同的方法，根据单层板的应力状态和破坏模式，建立单层板在材料主方向坐标系下的强度准则。
本章主要介绍单层板的基本力学性能、单层板的强度失效准则，以及层合板的强度分析方法。
§11.1单层板的力学性能由层合板的结构可知，层合板是若干单向纤维增强的单层板按一定规律组合而成的。
当纤维和基体的性质、体积含量确定后，单层板材料主方向的强度与和其工程弹性常数一样，是可以通过实验唯一确定的。
11.1.1单层板的基本刚度与强度材料主方向坐标系下的正交各向异性单层板，具有4个独立的工程弹性常数，分别表示为：纤维方向（方向1）的杨氏模量1E ，垂直纤维方向（方向2）的杨氏模量2E ，面内剪切模量12G ；另外，还有两个泊松比2112,νν，但它们两个 不是独立的。
这4个独立弹性常数表示正交各向异性单层板的刚度。
单层板的基本强度也具有各向异性，沿纤维方向的拉伸强度比垂直于纤维方向的强度要高。
另外，同一主方向的拉伸和压缩的破坏模式不同，强度也往往不同，所以单层板在材料主方向坐标系下的强度指标共有5个，称为单层板的基本强度指标，分别表示为：纵向拉伸强度X t (沿纤维方向)，纵向压缩强度X c (沿纤维方向)，横向拉伸强度Y t (垂直纤维方向)，横向压缩强度Y c (垂直纤维方向)，面内剪切强度S (在板平面内)。
复合材料结构件无损检测技术分析
复合材料结构件⽆损检测技术分析复合材料结构件⽆损检测技术分析摘要：本⽂通过对复合材料结构件缺陷和损伤特点的分析，介绍可应⽤于复合材料结构缺陷包括⽬视检查法、声阻法、射线检测技术、超声检测技术、声- 超声技术、涡流检测技术、微波检测技术在内的⽆损检测技术。
并对⽆损检测技术的技术关键进⾏剖析，展望了⽆损检测技术的未来发展。
关键词：复合材料⽆损检测缺陷随着航空制造技术的不断发展，复合材料以其⾼的⽐强度、⽐刚度及良好的抗疲劳性和耐腐蚀性获得⼴泛应⽤。
由于纤维增强复合材料具有导电性差、热导率低、声衰减⾼的特点，在物理性能⽅⾯呈显著的各向异性，使得它对波传播所引起的作⽤与普通⾦属材料相⽐具有很⼤的差异，因⽽其⽆损检测技术与⾦属的检测⼤不相同，复合材料检测⽇益成为该领域的重点和难点。
在这种情况下，航空航天检测迫切需要有⼀种更有效的⼿段来提⾼复合材料构件的⽣产质量或修理⽔平。
复合材料构件的成型过程是极其复杂的，其间既有化学反应，⼜有物理变化，影响性能的因素甚多，许多⼯艺参数的微⼩差异会导致其产⽣诸多缺陷，使产品质量呈现明显的离散性，这些缺陷严重影响构件的机械性能和完整性。
由于复合材料结构制造质量的离散性，必须通过⽆损检测来鉴别产品的内部质量状况，以确保产品质量，满⾜设计和使⽤要求。
随着先进复合材料技术研究与应⽤的⾼速增长，复合材料⽆损检测技术也迅速发展起来，已成为新材料结构能否有效和扩⼤应⽤的关键。
⼀、复合材料结构件缺陷的产⽣与特点先进复合材料中的缺陷类型⼀般包括: 孔隙、夹杂、裂纹、疏松、纤维分层与断裂、纤维与基体界⾯开裂、纤维卷曲、富胶或贫胶、纤维体积百分⽐超差、铺层或纤维⽅向误差、缺层、铺层搭接过多、厚度偏离、磨损、划伤等, 其中孔隙、分层与夹杂是最主要的缺陷。
材料中的缺陷可能只是⼀种类型, 也可能是好⼏种类型的缺陷同时存在。
缺陷产⽣的原因是多种多样的, 有环境控制⽅⾯的原因, 有制造⼯艺⽅⾯的原因, 也有运输、操作以及使⽤不当的原因, 如外⼒冲击、与其他物体碰撞和刮擦等。
纤维增强复合材料的层合板设计与分析
纤维增强复合材料的层合板设计与分析在现代材料科学中，纤维增强复合材料是一种重要的材料类型。
它由两个或多个不同材料的结合而成，具有较高的强度和刚度，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑工程等领域。
而其中的层合板设计与分析是研究的重点之一。
本文将从层合板设计和层合板分析的角度，探讨纤维增强复合材料的层合板设计与分析。
一、层合板设计纤维增强复合材料的层合板设计是指根据工程需求和结构要求，确定合适的纤维增强复合材料层合板的构建方式、厚度和材料组合等。
层合板设计的关键是保证强度、刚度和稳定性等力学性能，同时考虑材料的可加工性和经济性。
在层合板设计中，首先需要确定纤维增强复合材料的基材和增强材料。
常见的基材有环氧树脂、酚醛树脂等，而增强材料包括碳纤维、玻璃纤维等。
根据工程需求和结构要求，通过合理的选择基材和增强材料，可以实现对层合板的力学性能进行有效控制。
其次，层合板的构建方式也是设计的重要考虑因素之一。
常见的层合板构建方式有叠层、交叉等。
叠层方式是将纤维增强复合材料堆叠叠加，形成多层结构，可提高弯曲刚度和弯曲强度。
交叉方式是将纤维增强复合材料的层交叉堆叠，可提高抗剪切性能。
根据不同的工程需求和结构要求，可以选择合适的构建方式。
最后，层合板的厚度和材料组合也需要设计的考虑因素之一。
通过合理的厚度设计，可以在满足力学性能要求的前提下减少材料的浪费。
而材料组合的选择需要综合考虑材料的力学性能、可加工性和经济性等因素。
二、层合板分析纤维增强复合材料的层合板分析是指通过理论计算和数值模拟等方法，对层合板的力学性能进行评估和分析。
层合板分析的目的是验证设计的合理性，预测材料在实际工作环境下的应力分布和变形情况。
层合板分析的方法包括解析方法和数值模拟方法。
解析方法是基于理论计算和经验公式，通过建立适当的数学模型来评估层合板的力学性能。
数值模拟方法则是利用计算机软件，将层合板的几何形状和材料性质输入到数值模型中，通过有限元分析等方法进行力学性能的模拟和分析。
复合材料强度
复合材料强度复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的新材料，具有比单一材料更优异的性能。
在工程领域中，复合材料被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑结构等领域。
其中，复合材料的强度是一个非常重要的参数，它直接影响着材料的使用性能和安全性。
本文将对复合材料强度进行深入探讨。
首先，复合材料的强度受到多种因素的影响。
其中最主要的因素之一是纤维的类型和含量。
一般来说，复合材料中的纤维越多，强度越大。
而不同类型的纤维，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，其强度和性能也各有不同。
此外，树脂基体的质量和填充物的选择也会对复合材料的强度产生影响。
因此，在设计复合材料时，需要综合考虑这些因素，以求得最佳的强度性能。
其次，复合材料的强度测试是非常重要的。
常见的测试方法包括拉伸测试、压缩测试、弯曲测试等。
这些测试可以帮助工程师们了解复合材料在不同载荷下的性能表现，从而为工程设计提供依据。
此外，还可以通过有限元分析等计算方法对复合材料的强度进行预测和优化，以提高材料的使用寿命和安全性。
另外，复合材料的强度设计需要考虑到实际工程应用中的各种复杂载荷和环境条件。
例如，在航空航天领域，复合材料的强度设计需要考虑到飞机在高速飞行和恶劣气候条件下的受力情况，以确保飞机结构的安全可靠。
因此，工程师们需要充分了解复合材料的强度特性，结合实际工程需求进行合理的设计和选择。
最后，复合材料的强度改进是一个持续不断的过程。
随着科学技术的不断进步，新的复合材料和强度改进技术不断涌现。
例如，纳米复合材料、层合复合材料等新型材料的出现，为提高复合材料的强度提供了新的途径。
同时，新的强度测试方法和仿真技术的发展也为复合材料的强度改进提供了有力支持。
因此，工程师们需要密切关注复合材料领域的最新发展，不断学习和探索，以不断提高复合材料的强度和性能。
综上所述，复合材料的强度是一个复杂而重要的问题，它受到多种因素的影响，需要进行科学的测试和设计，并且需要不断改进和提高。
复合材料力学 第五章 复合材料层合板的强度
三、本构方程
由正交各向异性层板的应力应变关系，有
ζ x Q ε x Q (ε zκ)
由中面力的定义可得中面力为：
N ζ x 1 dz ( Q dz)ε 0 ( Q zdz)κ Aε 0 Bκ
中面矩为：
h 2 h 2
h 2 h 2
h 2 h 2
h 2 h 2
三者均为3×3矩阵，由此可得矩阵形式的经典叠层本构关系式 ：
N A B ε 0 M B D κ
6×1 6×6 6×1
6×6矩阵简称为刚度矩阵。
其中：
A
——拉（压）剪刚度，量纲[力][长度]-1
A16 , A26
为拉剪耦合刚度。
yz zx 0
由弹性力学可得：
以及
z 0
w z z 0 u w 0 zx z x v w yz z y 0
积分
w( x, y, z ) w0 w 0 u ( x, y, z ) u z x w 0 v( x, y, z ) v z y
板中任一点 的应变
u u 0 2w 0 x z ( 2 ) x z x x x x v v 0 2w 0 y z ( 2 ) y z y y y y
xy
v u v 0 u 0 2w 0 z ( ) xy z zy x y x y xy
x 0
0 0 0 x , y , xy为中面应变
x , y为中面曲率 xy为中面扭率
注意：1）此处的xy轴是叠层轴，对某一单层， 一般而言不是它的主轴。 2）只要中面变形已知，即可按上式求 出薄板任一点的应变
复合材料层合板结构的力学行为分析
复合材料层合板结构的力学行为分析复合材料层合板是由两种或多种不同材料层按一定规律堆叠而成的结构材料，广泛应用于航空航天、汽车工业、建筑等领域。
本文旨在分析复合材料层合板的力学行为，探讨其在工程中的应用潜力。
1. 引言复合材料层合板以其轻质、高强度的特性成为工程领域的热门材料。
它的力学行为不仅取决于各层材料的性质，还与层厚比、堆叠顺序、堆叠角度等因素密切相关。
2. 复合材料层合板的力学性能复合材料层合板的弯曲强度、抗剪强度、压缩强度等力学性能都远优于传统材料。
其中，弯曲强度是衡量其抗弯能力的重要指标。
3. 弯曲强度的分析复合材料层合板的弯曲强度主要受到各层材料的强度以及堆叠顺序的影响。
通过有限元分析等方法，可以预测不同堆叠方案下的弯曲强度，并为工程设计提供参考。
4. 抗剪性能的研究复合材料层合板的抗剪性能是指其在受到外力作用时，层间剪切破坏的能力。
研究表明，适当调整层厚比、堆叠角度等参数可以有效提高复合材料层合板的抗剪强度。
5. 压缩行为的评估复合材料层合板的压缩行为直接影响其在承受压力时的稳定性。
通过实验和数值模拟，可以研究不同层厚比、纤维束填充方式等因素对压缩性能的影响，并为结构设计提供参考。
6. 破坏机理的分析了解复合材料层合板的破坏机理对于优化设计至关重要。
常见的破坏模式包括层间剥离、纤维断裂、层间剪切破坏等。
深入研究这些破坏机理可以为材料改进和结构设计提供指导。
7. 工程应用潜力复合材料层合板由于其优异的力学性能和轻质化特点，在航空航天、汽车工业、建筑等领域具有广泛的应用潜力。
例如，利用层合板设计轻量化飞机翼等结构，可以提高飞机的燃油效率。
8. 结论复合材料层合板是一种具有优良力学性能的结构材料。
通过深入研究其力学行为，可以为工程设计和材料改进提供指导。
未来，随着技术的不断发展，复合材料层合板的应用前景将更加广阔。
通过以上分析可见，复合材料层合板在工程领域具有重要价值。
对其力学行为的深入理解有助于优化设计，提高结构性能。
5 第五章 复合材料层合板的强度解析
? Xc ? s ? Yc ? sT | ? LT |? S
L ? Xt ? Yt
?? ? ??
（5.1）
3. 蔡—希尔（Tsai-Hill）失效判据
蔡—希尔失效判据是各向同性材料的冯·米塞斯（Von·Mises）屈服失效判
据在正交各向异性材料中的推广。希尔假设了正交各向异性材料的失效判据
具有类似于各向同性材料的米塞斯（Mises）准则，并表示为
? ?Lc
? ?L
?
?
Lt
? ?
? ?T c ? ?T ? ?T t ?（5.2）
由于单层的应力-应变关系一直到破坏都是 线性的，所以式（5.2）中的极限应变可以用相 应的基本强度来表示，即：
| ? LT |? ? LTS
? ?
? Lt
?
Xt , EL
? Lc
?
Xc , EL
?Tt
?
Yt ET
,
?Tc
F ?s2
?
? s 3 2
?
G?s3
?
? s1 2
?
H ?s1
?
? s2 2
?
2L?
2 23
?
2M?
2 31
?
2 N?122
?
1
式中，s1，s2，s3，?23，?31，?12是材料主方向
上的应力分量（见图5.1），F，G，H，L，M，
（5.5）
N称为强度参数，与材料主方向的基本强度有
关。假设该材料的拉压强度相等，材料方向基
? ?s L ?
0
? ?
??s T
? ?
（3.5）
1
? ??? LT ?? ?
GLT ?
层合板复合材料性能的测试与数据处理
过 程 中 ，由于 技 术 和 设 备 条 件 的 限 制 ，部 分 力学
参 数 测 试 手 段 不完 善 ，数 据 处 理 难 度 较 大 ，材 料 性 能 数 据 主要 由外 方 提 供 ．严 重 阻 碍 了 叶 片 国产 化 的进 行 。 为 了摆 脱 这 种 依 赖 和 限 制 ，加 速 叶片 设 计 制 造 国产 化 的 进 程 ，为 下一 步 开发 新 型 号 叶
的测 试。为 了实现 叶片生产 的国产化 ，该 文提 出了叶片设计时 材料测试 的方 法和数据 处理 ，为今 后风 电复合材料部 件的
自主开 发 铺 设 了道 路 。
关键 词 ： 测试方法；计算方法； 实验验证
Ｔｈ ｅ ｔ ｇ ａｎ ｃ ｌｔ ｎ Ｍ ｅ ｈ ｄ ｏｒＬ ｍ ｉ ａ ｅ ｅ Ｔ ｓ ｉ ｄ Ｃａ ｕａ ｉ ｔ ｏ ｓ ｆ ａ ｎ ｔ ｎ ｏ Ｃｏｍ ｏ ｉ ｐ ｓｔ ｅ
理 论 计算 需 要 提 供 单轴 向纤 维 的力学 性 能 参
数 （ 。 Ｅ 、Ｇ 、ｔ． 『、 （ 、ｓ 或 Ｅ 、Ｅ 、 Ｅ 、 ｘ 。 『 、（ 。 ｌ ２
２ １ 年 第１ ０ ０ 期
ＤＯＮＧＦ ＮＧ Ａ ＴＵＲＢＩ ＮＥ
索 汔盼 嵌 ３ 右 ９
翟保 利 卢
毅
钟连兵
（ 方汽轮机有限公司， 东 四川 德 阳 ． １０ ０ ６８０ ） １
摘 要 ： 复合材料层合板的性能数据是进行风电叶片、机舱罩结构设计的关键参数 ，其中力学性能的测试是最为关键
目的对 试 验方 法 要 求 的侧 重 点 有 所 不 同 ，因此 有 不 同 的试 验方 法或 方案 ，从 而得 到不 同的结 果 。
叶 片设 计计 算 过 程 是 通 过 单 轴 向 的纤 维 按 照
复合材料加筋壁板结构强度分析方法研究
Technological Innovation18《华东科技》复合材料加筋壁板结构强度分析方法研究宋波涛，付友波，白艳洁（航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司，陕西 西安 710089）摘要：复合材料设计技术日益成熟，其在航空产品上的应用越来越多，更多的主承力结构开始选用复合材料，其强度设计至关重要，关系飞机安全。
本文以某飞机复合材料机身壁板为例，详细介绍了加筋壁板有限元建模及强度分析方法，给出了详细的校核公式及分析过程，可用于指导飞机强度设计及校核工作。
关键词：复合材料；强度校核；加筋壁板；稳定性近年来高性能增强纤维的先进复合材料在航空领域得到了快速发展。
先进复合材料具有比强度、比模量高，性能可设计和易于整体成形等诸多优异特性，不仅可实现结构减重，并能够明显改善飞机气动弹性特性、降低油耗、减少维修费用从而提高飞机性能，这是其他材料无法或难以实现的。
本文基于飞机复合材料机身壁板为例，介绍了复合材料加筋壁板设计过程中所面临的强度问题，并给出了有限元建模过程及其强度校核分析方法。
1 有限元建模计算 在壁板有限元建模过程中，将蒙皮单元简化为板壳单元，蒙皮单元定义为复合材料单元，材料铺层与实际结构铺层定义一致，将单向带定义为二维各项异性材料，建立材料坐标系，将材料坐标系X 轴定义为0°方向；由于长桁主要承受拉压载荷，建模时将长桁单元简化为一维杆单元，单元横截面积定义为长桁实际截面积，材料属性定义为其实际铺层等效属性。
当长桁缘条与腹板铺层不同时，假设腹板等效弹性模量为E1，截面积为A1，缘条等效弹性模量为E2，截面积为A2，则在长桁单元属性定义中，要求长桁单元截面拉压刚度保持不变，一般定义长桁弹性模量为腹板弹性模量E1，则其等效面积为：12211E A E A E A e += 复合材料结构设计中，一般为了降低结构重量，提高经济效益，蒙皮铺层及长桁铺层会不断变化，这导致建模过程比较复杂，需要对单元属性进行分段定义。
复合材料层合板的刚度与强度分析
Nx Ny
A11 A12
A12 A22
A16 A26
0 x
0 y
B11 B12
B12 B22
B16 B26
kx ky
Nxy
A16
A26
A66
0 xy
B16
B26
B66
k
x
z ky
xy
0 xy
k
xy
等号右边第一项表示层合板中面应变 等号右边第二项表示层合板中面曲率
经典层合板理论
中面的应变为：
a
a
u
0
0
x
0 y
0 x y
x
u x
u0 x
z
2w x2
y
v y
v0 y
z
2w y 2
xy
u y
v x
( u0 y
v0 x
)
2z
2w xy
经典层合板理论
上式可以用矩阵形式来表达：
x
y
0 x
0 y
aaaA
1
Et
复合材料的强度分析
单层复合材料宏观力学分析
任意方向的应力-应变关系
cos2θ
sin2θ 2sinθ cosθ
T
s i n2θ
cos2θ - 2sinθ cosθ
- sinθ cosθ sinθ cosθ cos2θ sin2θ
σ( x y ) T 1Q( 1 2() T- 1)T •ε( x y )
31
12 C16 C26 C36 C46 C56 C66 12
由此可以看到各向异性材料具有耦合现象,然而各 向同性材料没有耦合现象
单层复合材料的宏观力学分析
各向异性的、全不对称材料——21个常数
1 C11 C12 C13 C14 C15 C16 1
是的，我们现在面临很大的困难，特别是项目的继续深入发展， 要求我们尽快成长为一个能参与飞机强度设计的人才．
应对复合材料发展趋势
我们应该怎么做呢？ 首先，我们必须从基础入手，学习传统静强度分析的所有方法, ＜复合材料力学＞，＜复合材料设计手册＞，＜复合材料实验 手册＞，适航法规关于复合材料应用的相关规定，深入的了解 复合材料这个体系的相关专业知识，甚至有必要达到精通． 其次，不断开展调研，借鉴其他研究机构现有研究成果，尽快 的对复合材料在航空领域的应用有总体的，生动的把握． 然后是，相关复合材料的制造工艺体系的了解和熟悉，因为复 合材料的制造工艺在很大的程度上影响复合材料的力学性能． 然后是正式的参与项目，在项目中不断的学习和提高，成为一 个合格的，优秀的复合材料飞机设计员以及强度分析人员． 最后当然是灌注大量的精力在复合材料的应用研究和分析上， 来完成上述列举的工作．
其中：Fi，Fij为二阶和四阶强度张量 4 23 5 13 6 12 在平面应力状态下：
复合材料层合板分析
05 影响因素及优化策略探讨
影响因素识别
材料性能
包括纤维类型、基体类型、纤维体积分数等，对 层合板的力学性能、热性能等有显著影响。
铺层设计
铺层角度、顺序和厚度等设计参数直接影响层合 板的刚度、强度和稳定性。
制造工艺
如固化温度、压力和时间等工艺参数，对层合板 的内部质量和性能稳定性有重要影响。
优化策略提
提出了基于损伤容限的复合材料层合板设计方法，通过优 化铺层顺序和厚度分布等参数，提高了层合板的抗损伤能 力和耐久性。
未来研究方向展望
高性能复合材料层合板研究
探索新型高性能纤维增强复合材料的制备工艺和力学性能，为下一代复合材料层合板的研发提供技术 支持。
多功能复合材料层合板研究
开展具有多种功能（如承载、隔热、防雷击等）的复合材料层合板研究工作，拓展其在航空航天、汽 车等领域的应用范围。
和质量有重要影响。
力学性能分析方法
第一季度
第二季度
第三季度
第四季度
经典层合板理论
基于Kirchhoff假设， 忽略横向剪切变形，适 用于薄板和中厚板的分 析。该理论计算简单， 但对于厚板和复杂受力 状态的分析精度较低。
一阶剪切变形理论
考虑横向剪切变形的影 响，引入剪切修正因子 进行修正。该理论适用 于中厚板和厚板的分析
对复合材料层合板进行深入研究，有 助于优化其设计、制造和使用过程， 提高产品的性能和安全性。
研究的必要性
复合材料层合板具有优异的力学性能 和可设计性，但其复杂的力学行为和 失效机制需要深入研究。
国内外研究现状
国外研究现状
国外在复合材料层合板的研究方面起步较早，已经形成了较为完善的理论体系和实验方法 。近年来，国外学者主要关注于复合材料层合板的损伤与断裂、多尺度建模与分析、先进 制造技术等方向的研究。
复合材料韧性与强度的关系分析
复合材料韧性与强度的关系分析在工程领域中，复合材料是一种结构有机分子聚合物基体中嵌入无机颗粒、纤维和膜的类材料。
复合材料以其优异的力学性能和轻质高强的特点被广泛应用于各个领域，如航空航天、汽车制造、建筑等。
其中，复合材料的韧性和强度是其最基本的力学性能指标，对材料的使用和设计具有重要的影响。
首先，我们需要了解复合材料的构成和制备工艺。
复合材料通常由两个或更多种材料组合而成，其中包括基体材料和强化材料。
基体材料具有良好的强度和韧性，而强化材料则用于提高复合材料的强度和刚度。
强化材料可以是纤维，如碳纤维和玻璃纤维，也可以是颗粒，如硅胶和陶瓷颗粒。
制备复合材料的常见方法包括层压、浇铸和注塑等。
复合材料的强度在很大程度上取决于强化材料的类型和分布方式。
纤维增强复合材料通常具有较高的强度，这是因为纤维在复合材料中可以提供额外的强度和刚度。
另一方面，颗粒增强复合材料的强度通常较低，但具有更高的韧性。
这是由于颗粒在加载过程中可以阻碍裂纹的传播，从而延缓材料的破坏。
除了强化材料的影响外，基体材料的特性也对复合材料的韧性和强度产生影响。
基体材料的选择应考虑其韧性和耐磨性等因素。
常见的基体材料有热固性树脂和热塑性树脂等。
热固性树脂通常具有较高的强度和刚度，但韧性相对较低。
而热塑性树脂则具有较高的韧性和可塑性，但强度相对较低。
因此，在复合材料设计中需要综合考虑基体材料和强化材料之间的相互作用。
韧性和强度之间存在一种互补关系。
传统上，韧性与强度被认为是线性相关的，即增加材料的强度可以降低其韧性。
然而，在复合材料中，通过优化强化材料和基体材料的组合，可以实现韧性和强度的双重提高。
例如，添加纳米颗粒可以增加复合材料的强度，同时保持其韧性。
这是因为纳米颗粒的引入可以促进界面的相互作用，并增强材料的位错锁定效应。
此外，复合材料的界面层也对韧性和强度有重要影响。
界面层是指基体材料和强化材料之间的边界区域，其结构和特性对材料的力学性能具有显著影响。
复合材料连接结构强度及失效行为研究
图 2 螺栓连接的几何模型 （a）单螺栓连接结构；（b）
双螺栓连接结构
1 论文绪论
2 有限元建模
2.1 建立几何模型
表1 螺栓连接几何参数
板长 L 板宽 W 螺栓间隙 P 螺栓直径 d 自由边到孔中心距离 e 孔直径
150 mm 30 mm 20 mm 10 mm 30 mm 10 mm
3 参数化分析
Xc (GPa) 0.87
Yt=Zt (MPa) 50
Yc=Zc (MPa) 198
S12= S13(MPa) 104
S23 (MPa) 86
1 论文绪论
2.5 接触定义
2 有限元建模
3 参数化分析
4 结论
图 5 一个螺栓中的接触面
分别从以下两个方面定义接触：1）螺栓和层合板之间的接触；（2）层合板之间的接触。接触的表面定义 如图5所示，在该接触中螺栓表面选为第一表面。并同时使用接触模型和运动接触法，选择surfacesurface 接触，使用有限滑动公式来允许相互作用表面之间的任意平移和旋转。根据参考文献和其他专家的 推荐，摩擦系数选为0.2。
但是双螺栓连接比单螺栓连接多了一部分结构的重量，同时还需要增加在复合材料层合板上的开孔数量可能 会对层合板里面的纤维切断，这是双螺栓连接的相对于单螺栓连接的缺陷所在。但是综合来看多螺栓单搭连 接相对于单螺栓单搭连接是比较划算的方式。
1 论文绪论
2 有限元建模
3 参数化分析
3.2 铺层角度对复合材料螺栓连接强度影响
瑞典皇家海军建造的最长的也是最重的全复合材料护卫舰维斯比级护 卫舰，全世界第一艘在舰艇结构上有效使用碳纤维复合材料的军舰， 它使用的是复合材料夹层结构也就是玻璃纤维和碳纤维混合增强的聚 合物薄板，然后在上面包敷聚氯乙烯芯层，碳纤维建造而成的上层建 筑能够为维比斯护卫舰提供有效的电磁防护，从而提高整体军舰的隐 身性能 。Visby级在制造成本不会大幅度增加的情况下利用碳纤维把舰 艇的重量减轻了30%左右。对该护卫舰自重的减轻提高了舰船的性能 如续航性以及降低了该舰艇的使用成本。
钢结构融合混凝土的强度试验
钢结构融合混凝土的强度试验钢结构融合混凝土是一种结合了钢结构和混凝土结构优点的复合结构材料，具有高强度、高刚度和耐久性强等特点。
为了验证钢结构融合混凝土的强度，需要进行一系列的试验。
试验方法：1. 材料准备：在进行钢结构融合混凝土强度试验之前，需准备以下材料：- 钢材：根据实际项目需求选择适合的型号和规格的钢材，保证其强度符合设计要求。
- 混凝土：选择合适的水泥、砂子、石子等材料，按照设计配合比进行搅拌和浇筑。
2. 强度试验：- 抗压强度试验：将制备好的混凝土样品放置在压力试验机上，逐渐施加加载，并记录在不同加载阶段的压力值，直至样品破裂。
- 抗拉强度试验：制备混凝土样品，将其放置在拉伸试验机上，逐渐施加加载，并记录加载阶段的拉力值，直至样品破裂。
3. 结果分析：根据试验数据，计算钢结构融合混凝土的强度参数，包括抗压强度、抗拉强度等，与设计要求进行比对。
可以采用统计学方法，计算平均值、标准差等，以评估样品的强度性能和一致性。
4. 结论：通过钢结构融合混凝土的强度试验，可以得出结论：- 钢结构融合混凝土的抗压强度符合设计要求，可以满足建筑物的承载能力。
- 钢结构融合混凝土的抗拉强度较高，具有较好的抗震性能和耐久性。
5. 应用前景：钢结构融合混凝土的强度试验结果表明，该材料具有广阔的应用前景：- 在高层建筑、桥梁和其他重要工程中，钢结构融合混凝土可以提高建筑物的整体强度和稳定性。
- 钢结构融合混凝土还可以用于海洋平台、船舶和海上风电等工程领域，具有良好的抗腐蚀性能和耐久性。
总结：钢结构融合混凝土是一种结构强度较高的复合材料，通过强度试验可以评估其强度性能和一致性，从而确定其适用范围和应用前景。
这对于建筑行业和土木工程领域来说具有重要意义，可以有效提升建筑物的承载能力和抗震性能。
因此，钢结构融合混凝土的强度试验是非常必要和重要的研究内容。
复合材料层合板强度分析实例
GPa 1
各单层板的应力计算：
x0 x 2.269 Nx 0 y A1,3 y 0.1195 ( MPa） h 0 0 xy 1,3 xy 1,3
x0 0.7465 x 0 N x (MPa） A 0.0230 y 2 y h 0 0 xy xy 2
NORTHWESTERN POLYTECHNICAL UNIVERSITY
第一次刚度降低后，计算层合板拉伸刚度矩阵A
9.15 0.76 0 A Qk ( zk zk 1 ) h 0.76 48.78 0 (GPa） k 1 0 0 1.44
n
（3）第一次刚度降低后，层合板拉伸刚度逆矩阵 算
A 1 、应变列矩阵 0的计
第三步，第一次刚度降低后层合板性能的确定 N 当 hx 36.17 MPa 时，外层1,3单层板未发生破坏，其单层板刚度举证保持不变 内层板2在该层板层内横向（层内x轴方向）破坏，但纵向仍然有刚度：
0 0 0 0 0 0 E1 0 0 0 54.87 0 (GPa) 21 0 0 0 1 12 2 0 0 G12 2
层合板内第一次单层板破坏载荷的确定： 对层合板内单层板采用蔡-希尔理论的强度条件式（5.4.13）P186 （1）外层1,3板。
Nx Nx x 1,3 2.269 ( MPa） , y 0.1195 ( MPa） , xy 0 1,3 1,3 h h 2
0 ,
2 x
82.0697 x y 4.3223 ( MPa ) 0 xy 1 1,3 1 27.0009 x y 0.8320 ( MPa ) 0 xy 1 2 1
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复合材料层合结构强度比分析与评价摘要：通过对氧化塔筒体的单层结构和层合结构进行有限元模拟计算的方法来研究目前有关复合材料设计中常用的国内外两种
不同的强度准则之间的关系，通过对最小安全系数和最小强度比的比较和分析得出结论：在工程上，对于大型储罐的设计，用国内的最大应力准则比较准确，安全。
国外asme标准中的强度比为1.6
的标准要谨慎运用。
关键词：复合材料强度准则最小强度比最小安全系数
中图分类号：tb332 文献标识码：a 文章编号：1007-3973（2013）002-030-02
1 引言
复合材料越来越被人重视，应用也越来越广。
在复合材料结构设计中，结构的安全性是一个很重要的因素，也是设计者非常重视的问题。
我们通常用强度比和安全系数来衡量结构的安全状况。
然而，目前国内外相关标准中有关复合材料层合结构强度比的准则并不同。
目前国外使用的相关准则为“蔡-吴准则”，而国内主要采用最大应力和最大应变准则。
但是，目前并没有专门的理论知识来介绍这两类强度准则的联系与差别。
例如：在针对储罐设计时，国内的一般按结构的层合板的表观强度与实际表观应力之比进行分析，一般取10倍。
而美国的amse 标准，当容器不在极端条件使用时，层合板的结构层的各层在各种
荷载组合下的最小强度比为1.6，在极端条件时各层最小强度比需为2，而内衬的强度比一般取8～10。
这两种强度准则有很大的区别。
针对这种现状，本文通过建立两种不同的有限元模型：一类是以层合结构的表观参数输入的氧化塔筒体的有限元模型（层合模型），另一类是以单层材料参输入的氧化塔筒体的有限元模型（单层模型）分别进行模拟计算，分析结构的安全系数和强度比这两者之间的联系与差别。
从而，给出两种强度准则的比较和评价。
2 有限元计算分析
2.1 计算目的与计算内容
对典型复合材料层合结构建立两类不同的有限元模型，以直径为12m，高度为12.94m的氧化塔筒体部分进行模拟。
一类以层合结构的表观参数输入有限元分析模型（层合模型），另一类是以单层材料参数输入有限元分析模型（单层模型）。
对于不同受力状态下两类模型分别进行强度计算，获得结构的应力应变云图。
分别对两种模型的应力强度安全系数进行计算，并且对各层材料强度比进行计算。
比较在同种受力状态下的强度比和应力安全系数之间的关系。
2.2 氧化塔的材料参数
2.3 荷载统计
塔内液体压力统计荷载包括塔内液体压力和塔内设计压力，塔
内液压按静水压力施加，液体密度为1200kg/m2，塔内设计压力按3000kg/m2。
2.4 有限元模型
3 结果与分析
对于工程上，氧化塔模型的最大应变为环向应变，并且都小于1000，满足设计要求。
这里就不再列表说明，主要分析两种模型的强度。
从以上计算结果可得到：在给定荷载作用下，就层合模型自己比较，在相同的工况下，最小安全系数和最小强度比是非常接近的。
工程上的设计要求，在一般工况下，最小安全系数不能小于10，是满足设计要求的。
与层合模型一样，对于同种结构，在相同的工况下，单层模型结构层5和结构层4内衬的最小安全系数和最小强度比是非常接近的。
而对于单层模型结构层的各层材料的最小安全系数和最小强度比可见表2，表3。
从表中数据可看到，在两种工况下，针织毡的最小安全系数小于10，其它的各层材料最小安全系数均大于10。
但就各层材料本身而言，各层材料的最小安全系数和最小强度比也是很接近的。
并且对于在不同铺层的同种材料，它的各层最小安全系数和各层最小强度比的变化也都不大。
比较单层模型和层合模型，对于两种模型的相同结构层的内衬，在同种荷载作用下，最小安全系数和最小强度比的区别都不大。
这
两个值也是非常接近的。
4 结论
从以上有限元的模拟分析，按照最大应力准则设计的氧化塔模型，满足内衬和结构层的应力最小安全系数大于10的前提下，计算出来的单层模型和层合模型，在同种应力状态下，对两种模型自身而言，各个部分的应力最小安全系数和最小强度比的大小很接近；对两种模型之间比较，他们内衬的强度很接近，并且各自的应力最小安全系数和最小强度比的大小也很接近。
因此，可以得出结论：
（1）结构的应力安全系数与强度比的关系与结构的应力状态及材料的强度有关。
（2）在复合材料设计中，对于氧化塔这种大型储罐，结构的应力最小安全系数与最小强度比是很接近的。
对于类似这种大型结构的设计，用国内的最小应力安全系数为10的标准比较准确安全。
（3）在工程中，类似氧化塔的大型储罐的复合材料结构设计时，国外asme标准中的最小强度比为1.6的标准需要谨慎运用。
参考文献：
[1] 陈建桥.复合材料力学概论[m].北京：科学出版社，2006.
[2] asme rtp-1-2007.reinforced thermoset plastic corrosion-resistant equipment.part3（design）21-33，2007.
[3] 李卓球.层合板强度分析的双增量法[j].复合材料学报，。