复合材料结构设计基础
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复合材料结构设计 设计要求和原则
分析模型;等效板或其它模型 气动弹性剪裁内容及其敏感度分析;根据不同的设计要求;在气动弹
性剪裁中;应包括位移、应力、应变、振动频率、颤振分析 优化设计方法;规划法、准则法
结构分析要求
耐久性与损伤容限分析
复合材料结构的耐久性分析主要是指在使用载荷谱以及化学/湿热环境 条件下的寿命估算 损伤容限分析主要是指对含损伤结构的损伤扩展寿命预测和剩余强度 估算&
3飞行高温环境 A 应通过可靠的分析计算或实测确定飞行中气动加热及其它热源 产生的结构最高温度;典型温度剖面和最不利的温度剖面
B 对于超声速飞机的复合材料结构;当飞行引起的结构最高温度 比气候引起的结构最高温度更严酷时;应在设计使用寿命期内 环境条件平衡吸湿量;飞行温度剖面;载荷严重叠加下; 满足强度规范规定的强度和刚度要求
耐久性设计要求
特殊要求
冲击损伤源
设计时必须考虑使用引起的损伤;研究它对修理、维护、和功能可 能产生的影响;并证实外表面目视不易检出的损伤不影其响耐久性
重复的低能量冲击
冰雹撞击;工具掉落;踩踏引起的损伤是目视不可检;若在某一区 域内的反复冲击可能会影响结构耐久性;根据可能遇到的损伤类型 划分结构区域;并在研制试验程序中评定这些区域耐久性对损求
复合材料结构一般采用许用应变设计;注意性能、失效模式、耐久性、 损伤容限、制造工艺、质量控制等方面的差异&保证结构在使用载荷 下有足够的强度和刚度;在设计载荷下安全浴度大于零
在确定复合材料结构设计许用值时;须考虑环境对材料性能的影响; 环境因素有温度、湿度、生产使用过程中的最大不可见使用损伤 复合材料结构的安全水平不能低于同类金属结构 防止与金属零件接触时的电偶腐蚀 整体油箱、设备舱等;须防静电、防雷击、电磁兼容设计与试验验证 尽量将复合材料结构设计成整体件
性剪裁中;应包括位移、应力、应变、振动频率、颤振分析 优化设计方法;规划法、准则法
结构分析要求
耐久性与损伤容限分析
复合材料结构的耐久性分析主要是指在使用载荷谱以及化学/湿热环境 条件下的寿命估算 损伤容限分析主要是指对含损伤结构的损伤扩展寿命预测和剩余强度 估算&
3飞行高温环境 A 应通过可靠的分析计算或实测确定飞行中气动加热及其它热源 产生的结构最高温度;典型温度剖面和最不利的温度剖面
B 对于超声速飞机的复合材料结构;当飞行引起的结构最高温度 比气候引起的结构最高温度更严酷时;应在设计使用寿命期内 环境条件平衡吸湿量;飞行温度剖面;载荷严重叠加下; 满足强度规范规定的强度和刚度要求
耐久性设计要求
特殊要求
冲击损伤源
设计时必须考虑使用引起的损伤;研究它对修理、维护、和功能可 能产生的影响;并证实外表面目视不易检出的损伤不影其响耐久性
重复的低能量冲击
冰雹撞击;工具掉落;踩踏引起的损伤是目视不可检;若在某一区 域内的反复冲击可能会影响结构耐久性;根据可能遇到的损伤类型 划分结构区域;并在研制试验程序中评定这些区域耐久性对损求
复合材料结构一般采用许用应变设计;注意性能、失效模式、耐久性、 损伤容限、制造工艺、质量控制等方面的差异&保证结构在使用载荷 下有足够的强度和刚度;在设计载荷下安全浴度大于零
在确定复合材料结构设计许用值时;须考虑环境对材料性能的影响; 环境因素有温度、湿度、生产使用过程中的最大不可见使用损伤 复合材料结构的安全水平不能低于同类金属结构 防止与金属零件接触时的电偶腐蚀 整体油箱、设备舱等;须防静电、防雷击、电磁兼容设计与试验验证 尽量将复合材料结构设计成整体件
《复合材料结构设计》PPT课件
传统机械按键结构层图：
按键
PCBA
开关键Байду номын сангаас
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选择 平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议 留0.05~0.1mm，以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计算累积公
差，以防按键手感不良。
§4.3 层合板与层合件设计
4.3.4 变厚度层合板设计
20
§4.2 设计选材与设计许用值确定
4.2.2 设计许用值的定义与确定原则
金属材料设计许用值以应力表示，称设计许用应力 ；复合材料 结构的设计许用值选择应变，称设计许用应变。
确定设计许用值的一般原则： ★ 结构的拉伸设计许用值主要取决于含孔试样的许用值，结
构的压缩设计许用值主要取决于含冲击损伤试样的许用值。 ★ 薄蒙皮或薄面板蜂窝夹层结构设计许用值的确定，还需根
§4.4 夹层结构设计
4.4.1 夹层结构的破 坏模式与设计 准则
（1）夹层结构破坏模式
37
§4.4 夹层结构设计
4.4.1 夹层结构的破坏模式与设计准则
（2）夹层结构设计准则
◆ 在设计载荷下，面板的面内应力应小于材料强度，或在设计载荷下，面 板应变小于设计许用应变；
◆ 芯子应有足够的厚度（高度）及刚度 ； ◆ 芯子应有足够的弹性模量和平压强度，以及足够的芯子与面板平拉强度； ◆ 面板应足够厚，蜂窝芯格尺寸应合理； ◆ 应尽量避免夹层结构承受垂直于面板的平拉或平压局部集中载荷； ◆ 胶粘剂必须具有足够的胶接强度，同时还要考虑耐环境性能和老化性能； ◆ 碳纤维层合面板与铝蜂窝芯子胶接面要注意防止电偶腐蚀问题； ◆ 对雷达罩等有特殊要求的夹层结构，面板、芯子和胶粘剂选择必须考虑 电性能、阻燃、毒性和烟雾等特殊设计要求。
第04章-复合材料结构设计基础
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。
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
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
复合材料结构设计基础
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
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
复合材料基础
芳酯
1.45 1.44 0.96 1.56
2.80 3.40 3.43 5.80
109 96.6 98.0 280
2.5
3.3 4.0 2.5
19.3
24 36.5 37.2
7.7
6.8 10.4 18.0
聚芳 酯
1.41 3.27 74.5 3.9 24.0 5.4
碳纤维
无机系
PAN基碳纤维
标准 T300
东丽 CF 性能
Tensile Fiber Type Strength
(MPa)
T300 T400HB T700SC T800HB T1000GB T1000 M40 M50 M35JB M55JB
3530 4410 4900 5490 6370 7060 2740 2450 4510 4020
Tensile Modulus
评价 保障 无损检测与评价技术
第二章 新型增强材料
引言——力学作用
?
?
?
界面
纤维 + 树脂
复合材料
纤维与树脂的宏观力学匹配，即纤维的强度、模量、 延伸率与树脂的强度、模量、韧性等性能关系影响 复合材料力学性能，包括拉伸、压缩、弯曲、剪切 等。
引言——物理/化学作用
• 增强材料与基体的物理/化学相容性主 要反映在界面作用及影响。
6
1.91
1.3
10
1.75
0.8
8
1.91
1.碳纤维 ——性能的发展
① 高性能CF的断裂伸长率有极大提高，脆性得 到一定改善。例如T1000（2.4%）比T300 （1.5%）提高60%左右；
② CF拉伸强度、弹性模量、纤度等性能分散性 （批内和批间CV值）减小。
复合材料结构设计
力的比值）
2、层合板极限强度
导致层合板中各铺层全部失效时的层合板正则化内力（层合板逐层失效）
层间应力
强度：复合材料层合板抵抗层间应力的能力与基体强度
为同一量级
产生原因：
1、横向载荷 2、自由边界效应
自由边、孔周边等处存在层间应力集中
后果：易导致分层破坏
飞机结构设计的基本要求
➢ 气动性能要求：保证飞机具有合理的气动外形和好的表面质量（否则飞 行性能和品质变差） ➢ 最小重量要求：保证在足够的强度、刚度、疲劳安全寿命、损伤容限等 条件下，结构重量最轻 结构重量系数：飞机结构重量/飞机正常起飞重量 的百分比
2、夹层结构
上下面板（薄层合板）
—— 承受面内载荷（轴向拉压和面 内剪切）
中间芯层 （蜂窝、泡沫、波纹板
和木材等） —— 承受垂直于面板的剪切和压缩 应力，支持面板防止失稳。
优点：
➢ 更符合最小重量原则 比重小、刚度大（芯层支持抗弯好）、强度高（承受多轴向压力载荷）、 抗失稳、耐久性/损伤容限能力强（裂纹扩展和断裂韧性、抗声疲劳） ➢ 无铆缝（故机翼表面外形质量和气动性能较好） ➢ 简化结构（减少零件数目和减少装配工作量）
层合板/层压板的表示法：
图示法（直观）和公式法（简便）
（a）正轴坐标系和应力
（b）偏轴坐标系和应力
单向层合板的基本强度
铺层的基本强度，复合材料在面内正轴向的单轴正应力或纯剪力作用下
的极限应力（5项：单向板纵向和横向拉、压强度；面内剪切强度）。
层合板的强度
1、最先一层失效强度
各单一铺层应力分析→计算各铺层强度比→比较（强度比最小的铺层最 先失效，其对应的正则化内力）（强度比：材料强度极限同结构所受对应应
2、层合板极限强度
导致层合板中各铺层全部失效时的层合板正则化内力（层合板逐层失效）
层间应力
强度：复合材料层合板抵抗层间应力的能力与基体强度
为同一量级
产生原因：
1、横向载荷 2、自由边界效应
自由边、孔周边等处存在层间应力集中
后果：易导致分层破坏
飞机结构设计的基本要求
➢ 气动性能要求：保证飞机具有合理的气动外形和好的表面质量（否则飞 行性能和品质变差） ➢ 最小重量要求：保证在足够的强度、刚度、疲劳安全寿命、损伤容限等 条件下，结构重量最轻 结构重量系数：飞机结构重量/飞机正常起飞重量 的百分比
2、夹层结构
上下面板（薄层合板）
—— 承受面内载荷（轴向拉压和面 内剪切）
中间芯层 （蜂窝、泡沫、波纹板
和木材等） —— 承受垂直于面板的剪切和压缩 应力，支持面板防止失稳。
优点：
➢ 更符合最小重量原则 比重小、刚度大（芯层支持抗弯好）、强度高（承受多轴向压力载荷）、 抗失稳、耐久性/损伤容限能力强（裂纹扩展和断裂韧性、抗声疲劳） ➢ 无铆缝（故机翼表面外形质量和气动性能较好） ➢ 简化结构（减少零件数目和减少装配工作量）
层合板/层压板的表示法：
图示法（直观）和公式法（简便）
（a）正轴坐标系和应力
（b）偏轴坐标系和应力
单向层合板的基本强度
铺层的基本强度，复合材料在面内正轴向的单轴正应力或纯剪力作用下
的极限应力（5项：单向板纵向和横向拉、压强度；面内剪切强度）。
层合板的强度
1、最先一层失效强度
各单一铺层应力分析→计算各铺层强度比→比较（强度比最小的铺层最 先失效，其对应的正则化内力）（强度比：材料强度极限同结构所受对应应
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
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。
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复合材料结构设计基础
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： 主讲教师：葛曷一 曹笃霞
从材料力学基础出发， 从材料力学基础出发，介绍复合材料 力学、 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： 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、 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。 的基本步骤和方法等内容。
σ/r(106cm)
10 2
4 3
材料名称 钢 铝 玻纤/聚酯 玻纤 聚酯CM 聚酯 碳纤/环氧 碳纤 环氧CM 环氧
比强度 0.13 0.17 0.53 1.03
比模量 0.27 0.26 0.21 0.21
1.3.2 复合材料结构设计的特点
(1) 复合材料既是一种材料又是一种结构
(2) 复合材料具有可设计性 (3) 复合材料结构设计包含材料设计
可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一 设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要 对结构设计的同时对材料本身进行设计。 求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。 具体体现在两个方面 力学设计—— 力学设计 给制品一定的 强度和刚度 功能设计——给 给 功能设计 制品除力学性能 外的其他性能
Al2O3晶须 铝 晶须/铝 玻璃/ 玻璃 环氧 5 硼/环氧 环氧 碳/环氧 环氧 铍
Al2O3晶须 晶须/Ni 钢 铝 3 4
复合材料在飞机上使 硼/铝 铝 用量已作为当代飞机 硼/镍 镍 硼/钼 先进性的指标之一 钼
5 10 E/r(106cm) 20 30 40
几种常用 材料和纤 维增强复 合材料比 强度、 强度、比 模量的比 较
结构复合材料
用途
以其力学性能如强度、 以其力学性能如强度、 刚度、 刚度、形变等特性为工程 所应用， 所应用，主要用于结构承 力或维持结构外形。 力或维持结构外形。
功能复合材料
以其声、 以其声、光、电、热、磁等 物理特性为工程所应用， 物理特性为工程所应用，用于如 绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、 绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减 振或热变形等热、 振或热变形等热、声、光、电、 磁的功能要求。 磁的功能要求。
耦合变形的示例
(2) 非均质性
耦合变形： 耦合变形： 层合结构复合材料在一种外力作 用下， 用下，除了引起本身的基本变形 还可能引起其他基本变形。 外，还可能引起其他基本变形。
(3) 层间强度低
在结构设计时， 在结构设计时，应尽量 减小层间应力， 减小层间应力，或采取 某些构造措施， 某些构造措施，以避免 层间分层破坏。 层间分层破坏。
课程先修 力学基础 材料力学和弹性力学
1.1 复合材料 复合材料(Composite Materials)定义、分类与命名 定义、 定义
(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。 新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。
(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、 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、 碳纤维复合材料、金 属纤维复合材料、 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
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。 酯树脂复合材料等。
组分材料和铺层方向可按照设计要求 进行选择。 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， 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。 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 组分材料有其自己的固有特性， 材料之间要彼此相容(包括物理 化学、 包括物理、 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， 学等方面 ，使其真正复合成一个整体，成 为一种新材料。 为一种新材料。
纤维复合材料基础设施应用
国内外复合材料在桥梁、房屋、 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 的基础应用广泛， 特别是在桥梁上和在房屋补强、 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。 程以料综合处理与再生
聚 丙 烯 腈 基 纤 维 发 展
我国碳纤维工业发展缓慢， 我国碳纤维工业发展缓慢，从 CF发展回顾、特点、国内碳纤维发 发展回顾、 发展回顾 特点、 展过程、中国PAN基CF市场概况、 市场概况、 展过程、中国 基 市场概况 特点、 十五”科技攻关情况看， 特点、“十五”科技攻关情况看，发 展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。 展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。
1.3复合材料及其结构设计的特点 复合材料及其结构设计的特点
1.3.1比强度高、比模量高 比强度高、 比强度高
(1) 组分材料密度都较低； 组分材料密度都较低； 纤维增强塑料是由高强度、脆性、 纤维增强塑料是由高强度、脆性、低密度的纤维材料与低 (2) 由于纤维具有很小的直径，其 由于纤维具有很小的直径， 强度、低模量、低密度、韧性较好的树脂基体所组成。 强度、低模量、低密度、韧性较好的树脂基体所组成。 内部缺陷要比块状形式的材料少 得多，所以强度较高。 得多，所以强度较高。 碳化硼/铝 碳化硼 铝
玻璃纤维结构调整
改进和发展纱类、机织物、 改进和发展纱类、机织物、无 纺毡、编织物、缝编织物、 纺毡、编织物、缝编织物、复 合毡， 合毡，推进玻纤与玻钢两行业 密切合作， 密切合作，促进玻璃纤维增强 材料的新发展。 材料的新发展。
开发能源、 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； 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； 汽车、城市轨道交通用复合材料； 民航客机用复合材料； 民航客机用复合材料； 船艇用复合材料。 船艇用复合材料。
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 层间强度低
(1) 各向异性性能 材料弹性主方向： 材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵 用字母L表示 与其垂直的另一主方向称为横向， 表示， 向，用字母 表示，与其垂直的另一主方向称为横向， 用字母T表示 表示。 用字母 表示。 通常的各向同性材料中，表达材料弹性性能独 通常的各向同性材料中， 立的工程弹性常数有两个： 弹性模量 弹性模量)和 泊松比 泊松比) 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。 或剪切弹性模量 。
1.3.4 几个基本假设
研究复合材料的刚度和强度时，基本假设： 研究复合材料的刚度和强度时，基本假设：
E G = 2 (1 + ν )
对于复合材料中的每个单层， 对于复合材料中的每个单层，表达材料弹性性能的独立 的工程弹性常数有四个：纵向弹性模量EL、横向弹性模量ET、 的工程弹性常数有四个：纵向弹性模量 横向弹性模量 或横向泊松比ν 纵向泊松比 νL (或横向泊松比 T)、面内剪切弹性模量 LT。 或横向泊松比 、面内剪切弹性模量G 耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、 耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、弯扭耦合与扭弯耦合
重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回 重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回 ）、 热裂解）和能量回收，加强技术路线、 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， 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、 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 在拉挤制品中的应用以及在 模压制 品中的应用和典型产品中的应用。 品中的应用和典型产品中的应用。
颗粒直径范围1~50m，颗 ， 颗粒直径范围 粒体积含量25％ 粒体积含量 ％~70%，增强颗 ， 层合 粒之间的距离一般大于1m。 粒之间的距离一般大于 结构 。 由无纬布或纤维 颗粒的作用： 颗粒的作用：由于颗粒本身的 织物铺叠而成 复合 刚硬阻止基体变形而起到增强 材料 作用。 作用。
由纤维粗纱缠 短切 晶须 绕或纤维织物 纤维 复合 带按一定缠绕 复合 材料 规律卷绕而成 材料
20世纪 年代初，美国首先用玻璃 世纪40年代初 世纪 年代初， 纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。 纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。之 玻纤增强塑料（我国俗称玻璃钢） 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、 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。 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 世纪60年代末期开始的 从20世纪 年代末期开始的。 世纪 年代末期开始的。
基体材料(连续相 基体材料 连续相) 连续相
组成
粘结、 粘结、保护 纤维， 纤维，并传 递应力
增强材料(分散相 增强材料 分散相) 分散相
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 树脂基复 合材料 热固性树脂 基复合材料 陶瓷基复 合材料 橡胶基复 合材料
热塑性树脂 基复合材料
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、 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 合 材 料 创 新
包括复合材料的技术发展、 包括复合材料的技术发展、复合材料的 工艺发展、 工艺发展、复合材料的产品发展和复合 材料的应用， 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、 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。 展创新和产品应用发展创新。
1、绪论 、
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： 主讲教师：葛曷一 曹笃霞
从材料力学基础出发， 从材料力学基础出发，介绍复合材料 力学、 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： 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、 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。 的基本步骤和方法等内容。
σ/r(106cm)
10 2
4 3
材料名称 钢 铝 玻纤/聚酯 玻纤 聚酯CM 聚酯 碳纤/环氧 碳纤 环氧CM 环氧
比强度 0.13 0.17 0.53 1.03
比模量 0.27 0.26 0.21 0.21
1.3.2 复合材料结构设计的特点
(1) 复合材料既是一种材料又是一种结构
(2) 复合材料具有可设计性 (3) 复合材料结构设计包含材料设计
可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一 设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要 对结构设计的同时对材料本身进行设计。 求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。 具体体现在两个方面 力学设计—— 力学设计 给制品一定的 强度和刚度 功能设计——给 给 功能设计 制品除力学性能 外的其他性能
Al2O3晶须 铝 晶须/铝 玻璃/ 玻璃 环氧 5 硼/环氧 环氧 碳/环氧 环氧 铍
Al2O3晶须 晶须/Ni 钢 铝 3 4
复合材料在飞机上使 硼/铝 铝 用量已作为当代飞机 硼/镍 镍 硼/钼 先进性的指标之一 钼
5 10 E/r(106cm) 20 30 40
几种常用 材料和纤 维增强复 合材料比 强度、 强度、比 模量的比 较
结构复合材料
用途
以其力学性能如强度、 以其力学性能如强度、 刚度、 刚度、形变等特性为工程 所应用， 所应用，主要用于结构承 力或维持结构外形。 力或维持结构外形。
功能复合材料
以其声、 以其声、光、电、热、磁等 物理特性为工程所应用， 物理特性为工程所应用，用于如 绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、 绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减 振或热变形等热、 振或热变形等热、声、光、电、 磁的功能要求。 磁的功能要求。
耦合变形的示例
(2) 非均质性
耦合变形： 耦合变形： 层合结构复合材料在一种外力作 用下， 用下，除了引起本身的基本变形 还可能引起其他基本变形。 外，还可能引起其他基本变形。
(3) 层间强度低
在结构设计时， 在结构设计时，应尽量 减小层间应力， 减小层间应力，或采取 某些构造措施， 某些构造措施，以避免 层间分层破坏。 层间分层破坏。
课程先修 力学基础 材料力学和弹性力学
1.1 复合材料 复合材料(Composite Materials)定义、分类与命名 定义、 定义
(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。 新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。
(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、 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、 碳纤维复合材料、金 属纤维复合材料、 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
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。 酯树脂复合材料等。
组分材料和铺层方向可按照设计要求 进行选择。 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， 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。 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 组分材料有其自己的固有特性， 材料之间要彼此相容(包括物理 化学、 包括物理、 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， 学等方面 ，使其真正复合成一个整体，成 为一种新材料。 为一种新材料。
纤维复合材料基础设施应用
国内外复合材料在桥梁、房屋、 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 的基础应用广泛， 特别是在桥梁上和在房屋补强、 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。 程以料综合处理与再生
聚 丙 烯 腈 基 纤 维 发 展
我国碳纤维工业发展缓慢， 我国碳纤维工业发展缓慢，从 CF发展回顾、特点、国内碳纤维发 发展回顾、 发展回顾 特点、 展过程、中国PAN基CF市场概况、 市场概况、 展过程、中国 基 市场概况 特点、 十五”科技攻关情况看， 特点、“十五”科技攻关情况看，发 展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。 展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。
1.3复合材料及其结构设计的特点 复合材料及其结构设计的特点
1.3.1比强度高、比模量高 比强度高、 比强度高
(1) 组分材料密度都较低； 组分材料密度都较低； 纤维增强塑料是由高强度、脆性、 纤维增强塑料是由高强度、脆性、低密度的纤维材料与低 (2) 由于纤维具有很小的直径，其 由于纤维具有很小的直径， 强度、低模量、低密度、韧性较好的树脂基体所组成。 强度、低模量、低密度、韧性较好的树脂基体所组成。 内部缺陷要比块状形式的材料少 得多，所以强度较高。 得多，所以强度较高。 碳化硼/铝 碳化硼 铝
玻璃纤维结构调整
改进和发展纱类、机织物、 改进和发展纱类、机织物、无 纺毡、编织物、缝编织物、 纺毡、编织物、缝编织物、复 合毡， 合毡，推进玻纤与玻钢两行业 密切合作， 密切合作，促进玻璃纤维增强 材料的新发展。 材料的新发展。
开发能源、 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； 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； 汽车、城市轨道交通用复合材料； 民航客机用复合材料； 民航客机用复合材料； 船艇用复合材料。 船艇用复合材料。
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 层间强度低
(1) 各向异性性能 材料弹性主方向： 材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵 用字母L表示 与其垂直的另一主方向称为横向， 表示， 向，用字母 表示，与其垂直的另一主方向称为横向， 用字母T表示 表示。 用字母 表示。 通常的各向同性材料中，表达材料弹性性能独 通常的各向同性材料中， 立的工程弹性常数有两个： 弹性模量 弹性模量)和 泊松比 泊松比) 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。 或剪切弹性模量 。
1.3.4 几个基本假设
研究复合材料的刚度和强度时，基本假设： 研究复合材料的刚度和强度时，基本假设：
E G = 2 (1 + ν )
对于复合材料中的每个单层， 对于复合材料中的每个单层，表达材料弹性性能的独立 的工程弹性常数有四个：纵向弹性模量EL、横向弹性模量ET、 的工程弹性常数有四个：纵向弹性模量 横向弹性模量 或横向泊松比ν 纵向泊松比 νL (或横向泊松比 T)、面内剪切弹性模量 LT。 或横向泊松比 、面内剪切弹性模量G 耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、 耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、弯扭耦合与扭弯耦合
重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回 重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回 ）、 热裂解）和能量回收，加强技术路线、 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， 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、 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 在拉挤制品中的应用以及在 模压制 品中的应用和典型产品中的应用。 品中的应用和典型产品中的应用。
颗粒直径范围1~50m，颗 ， 颗粒直径范围 粒体积含量25％ 粒体积含量 ％~70%，增强颗 ， 层合 粒之间的距离一般大于1m。 粒之间的距离一般大于 结构 。 由无纬布或纤维 颗粒的作用： 颗粒的作用：由于颗粒本身的 织物铺叠而成 复合 刚硬阻止基体变形而起到增强 材料 作用。 作用。
由纤维粗纱缠 短切 晶须 绕或纤维织物 纤维 复合 带按一定缠绕 复合 材料 规律卷绕而成 材料
20世纪 年代初，美国首先用玻璃 世纪40年代初 世纪 年代初， 纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。 纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。之 玻纤增强塑料（我国俗称玻璃钢） 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、 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。 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 世纪60年代末期开始的 从20世纪 年代末期开始的。 世纪 年代末期开始的。
基体材料(连续相 基体材料 连续相) 连续相
组成
粘结、 粘结、保护 纤维， 纤维，并传 递应力
增强材料(分散相 增强材料 分散相) 分散相
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 树脂基复 合材料 热固性树脂 基复合材料 陶瓷基复 合材料 橡胶基复 合材料
热塑性树脂 基复合材料
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、 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 合 材 料 创 新
包括复合材料的技术发展、 包括复合材料的技术发展、复合材料的 工艺发展、 工艺发展、复合材料的产品发展和复合 材料的应用， 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、 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。 展创新和产品应用发展创新。
1、绪论 、