复合材料结构

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

复合材料区别于传统材料的根本特点之一可设计性好（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）

具体体现在两个方面1力学设计——给制品一定的强度和刚度、2功能设计——给制品除力学性能外的其他性能

复合材料力学性能的特点

(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

)和ν(泊松比)或剪切弹性模量G。

对于复合材料中的每个单层，纵向弹性模量E L、横向弹性模量E T、纵向泊松比νL (或横向泊松比νT)、面内剪切弹性模量G LT。

耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、弯扭耦合与扭弯耦合

(2) 非均质性

耦合变形：层合结构复合材料在一种外力作用下，除了引起本身的基本变形外，还可能引起其他基本变形。

(3)层间强度低

在结构设计时，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。

研究复合材料的刚度和强度时，基本假设：

(1) 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。

(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) 假设层合板的变形是很小的。

上述五个基本假设，只有多向层合板的分段均匀性假设和单向层合板的正交各向异性假设，与材料力学中的均匀性假设和各向同性假设有区别。

平面应力状态与平面应变状态

平面应力状态：单元体有一对平面上的应力等于0。（σz＝0，τzx＝0，τzy ＝0）

平面应变状态（平面位移）：εz＝0（即ω＝0），τzx＝0(γ31＝0)，τzy ＝0(γ32＝0 )，

σz一般不等于0。

复合材料连接方式

复合材料连接方式主要分为两大类：胶接连接与机械连接。胶接连接：受力不大的薄壁结构，尤其是复合材料结构；机械连接：连接构件较厚、受力大的结构。

与金属材料构件之间的机械连接相比，复合材料连接还具有如下特点：1

）由于复合材料易产生分层，故连接时应尽量避免过盈配合（过盈是指在连接中孔的直径小于轴的直径，此时

孔与轴的配合称为过盈配合。过盈配合也叫静配合，用于孔、轴间的紧固连接，不允许两者之间有相对运动）。

2）像胶接一样，复合材料构件与金属构件之间机械连接同样会产生较大的内应力。

接头效率

在金属构件受拉剪的机械连接中，用下式表示连接的接头效率：

上式表明，接头效率是有连接孔构件能承受的最大载荷与无孔构件能承受的最大载荷之比。复合材料连接设计中也采用类似的接头效率作为衡量接头设计成功与否的重要指标：

胶接连接

胶接连接接头的分析

为了确保胶接连接安全可靠，避免胶接连接接头的提前破坏，必须正确分析胶接连接接头的内力与应力。以单面搭接为例来说明胶接连接接头的内力与应力分析计算。

P

P

P/2

P/2

P P P P

P

P P P

(a)

(b)

(f)

(e)

根据假设1，由微元体的平衡条件可得： 根据假设2和3，胶层的剪切应力-应变关系为：

可得接头内力的控制方程：

P

P

2

T 1

T 2

dx dx

dT 1

1+

dx dx

dT 2

2+

式中

其一般解为