2-复合材料结构设计-设计要求和原则
《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
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§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
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§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
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
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
复合材料结构设计
6.3.3 许用值与安全系数的确定
A 许用值的确定 许用值是结构设计的关键要素之一，是判断结构强度的基准。因此正确地确定许用值是结构设计和强 度计算的重要任务之一。安全系数也是一项非常重要的工作。 (1) 拉伸时许用值的确定方法 取下述三种情况得到的最小值 ①开孔试样在环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其断裂应变，并除以安全系数，经统计分析得出使 用许用值。 ②非缺口试样在环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其集体不出现明显微裂纹所能达到的最大应变值， 经统计分析得到使用许用值。
构件的拐角应具有较大的圆角半径，避免在拐角处出现纤维断裂、富树脂、架桥等缺陷； 对于外形复杂的复合材料构件设计，应考虑制造工艺上的难易程度，可采用合理的分离面分 成两个或两个以上构件；对于曲率较大的曲面应采用织物铺层；对于外形突变处应采用光滑过度；对 于壁厚变化应避免突变，可采用阶梯型变化； 结构件的两面角应设计成直角或钝角 ······
6.2.2 单层性能的确定
前面章节所使用的混合法则，即单层性能与体积含量成线性关系的法则，仅适用于较为特殊 的一类复合材料。
对于一般的层合结构复合材料，已知原材料的性能欲确定单层的性能时较为困难的。 然而，设计的初步阶段，为了层合板设计、结构设计的需要，必须提供必要的单层性能参数， 特别是刚度和强度参数。为此，通常需要利用细观力学方法推得的预测公式来进行计算。 而在最终设计阶段，单层性能的确定需要用试验的方法直接测定。
6.3.3 许用值与安全系数的确定
③开孔试样在环境条件下进行拉伸两倍疲劳寿命试验，测定其所能达到的最大应变值，经统计 分析得到使用许用值。
(2) 压缩时许用值的确定方法 取三种情况得到的最小值 (3) 剪切时许用值的确定方法 取两种情况得到的较小值
复合材料结构特点、设计要点以及成型方法
复合材料是一种由两种或两种以上的材料组合而成的材料，具有强度高、重量轻、耐腐蚀等优点。
复合材料在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域有着广泛的应用。
本文将重点探讨复合材料的结构特点、设计要点以及成型方法。
一、复合材料的结构特点1.1 高强度：复合材料由于是由不同材料组合而成，可以充分发挥各种材料的优点，因此具有很高的强度。
比如碳纤维复合材料的强度是钢的几倍。
1.2 轻质：由于复合材料多为聚合物基体和增强材料组成，因此具有较低的密度，重量轻，适合用于要求重量轻的场合，比如航空航天领域。
1.3 耐腐蚀性好：复合材料多数是无机非金属材料与有机高分子材料的复合，因此具有良好的耐腐蚀性，可以在恶劣环境下长期使用。
1.4 难以加工：复合材料的工艺性和加工性较差，需要采用特殊的加工技术和工艺流程。
二、复合材料的设计要点2.1 结构设计：在设计复合材料结构时，需要充分考虑材料的性能和特点，合理设计结构，提高材料的使用效率。
2.2 成型工艺设计：不同的复合材料有不同的成型工艺，需要根据具体的材料性能和工艺流程来设计成型工艺，以保证产品质量。
2.3 自动化设计：现代复合材料加工已经向着自动化方向发展，因此设计时需要考虑如何实现自动化生产。
2.4 环境友好设计：在设计复合材料产品时，需要充分考虑材料的回收性和再利用性，采用环保的材料和工艺。
三、复合材料的成型方法3.1 手工层叠成型：手工层叠成型是一种常见的复合材料成型方法，通过人工将增强纤维层叠在一起，再浸渍树脂，最后经过固化得到成品。
3.2 压模成型：在压模成型中，复合材料预先放置于模具中，然后通过压力和温度的作用，使树脂固化，最终得到成品。
3.3 真空吸塑成型：真空吸塑成型是将复合材料覆盖在模具表面，然后利用真空负压使其贴紧模具表面，并通过加热固化得到成品。
3.4 自动化制备：随着自动化技术的发展，复合材料成型也越来越多地采用自动化制备技术，如自动化层叠机、自动化压模机等。
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(第2章)
E2
ε1
1(L)
1
ε2
ε
(3)面内剪切实验 (3)面内剪切实验
2(T) M
12
x y
γxy
பைடு நூலகம்
t
τ
M 薄壁圆管扭转试验
τ
1(L)
τ
12
G12
1 γ 12 = τ 12 G12
1
γ
12
γ
(4) 单层板的正轴应力-应变关系 单层板的正轴应力2
σ2
τ12 σ1
1
2 2
σ2
2
τ12
1
1
σ1
1
+
+
利用叠加原理： 利用叠加原理：
测量的数据不准确； 测量的数据不准确； 进行的计算有错误 材料不能用线弹性应力材料不能用线弹性应力-应变关系式描述
单层的弹性模量、具有重复下标的柔量分量及模量分量均为正值。 单层的弹性模量、具有重复下标的柔量分量及模量分量均为正值。
E1, E2,G12 > 0 S11, S 22, S 66 > 0 Q11,Q22,Q66 > 0
模量分量与工程弹性常数的关系
Q 11 Q 22 E1 = ,E2 = , G 12 = Q 66 M M 2 Q 12 Q 21 Q12 −1 ν2= ,ν 1 = , M = (1 − ) Q 11 Q 22 Q11 Q 22
模量分量构成的矩阵与柔量分量构成的矩阵互为逆矩阵
2
ε1、ε2，γ12 表示材料主方向 （正轴向）相应的三个应变分量。 应变符号： 伸长为正，缩短为负。 正应变 ： 剪应变 ： 与坐标方向一致的直角 减小为 增大为 减小为正 ， 为负。 增大
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。
复合材料铺层一般原则
复合材料铺层一般原则一．层合板设计的一般原则（1）均衡对称铺设原则除了特殊需要外，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，应考虑工艺变形限制。
将非对称和非均衡铺层靠近中面，可减小层合板工艺变形。
（2）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。
如果需要设计成准各向同性层合板，可采用或层合板。
对于采用缠绕成形工艺制造的结构，铺层角（缠绕角）不受上述角度的限制，但一般采用缠绕角。
（3）铺层取向按承载选取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。
具体地说，如果承受单轴向拉伸或压缩载荷，纤维铺设方向一致；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；如果承受剪切载荷，纤维方向按+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。
90°方向纤维用以改善横向强度，并调节层合板的泊松比。
（4）铺设顺序原则主要从三方面考虑：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。
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。
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。
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。
复合材料结构及性能评价方法的研究与开发
复合材料结构及性能评价方法的研究与开发一、引言复合材料作为结构材料，具有重量轻、强度高、刚度大、抗腐蚀、抗疲劳等优点，已被广泛应用于制造航空器、船舶、汽车、建筑、体育器材等领域。
然而，在复合材料的应用过程中，需要充分考虑其结构设计和性能评价，以确保其可靠性和安全性，在这方面取得卓越成果的公司包括波音和空客等，其成功经验值得借鉴。
二、复合材料结构设计原则1.强度选型原则复合材料的强度取决于树脂、纤维的种类、数量、方向和制品制造过程。
对于任一工程应用而言，可以通过选择适当的材料种类、数量和方向，来保证制品的强度目标的实现。
2.硬度和弹性模数选型原则复合材料的硬度和弹性模数直接影响制品的挠度、弯曲和应力等表现。
因此，需要根据制品的使用环境和应用要求，合理选择硬度和弹性模数，以达到制品的性能欲望。
3.低温/高温性能选型原则复合材料的低温/高温性能主要受树脂的热异性和纤维变形等制约。
低温显著降低树脂的硬度和弹性模数，高温则会引起树脂的软化或变形。
因此，在材料的选择和制备中，应充分考虑制品的工作环境和实际应用要求，优化硬度和弹性模数。
三、复合材料性能评价方法1.力学性能力学性能是复合材料重要的评估指标，涉及材料的强度、刚度、韧性、蠕变行为等方面。
目前，采用的测试方法包括静态拉伸试验、动态拉伸试验、拉-压杆试验、剪切试验、点胶剪切试验、压缩试验等。
2.热和热膨胀性能材料的热膨胀性能是影响制品温度响应和热应力的重要参数，其测定方法包括热膨胀试验机、热分析仪、化学热膨胀仪等。
3.燃烧性能燃烧性能评价主要考虑复合材料的燃烧性质，包括材料的燃烧特性、气体释放、毒性等方面。
评价方法包括锥形定标试验、热/冷释放试验、毒性试验等。
4.耐久性能耐久性能是评价材料抗环境损伤能力的指标，在复合材料行业中，耐久性包括了该材料在使用中的耐受性、疲劳强度、耐老化性、耐误差性等。
四、复合材料性能提升方法1.新材料研发目前市场上的复合材料多以碳纤维为主，但碳纤维比较昂贵，制件成本也相对较高，因此需要研发出具有良好性能、价格较低的新型复合材料。
2-复合材料结构设计-设计要求和原则(课堂PPT)
4
耐久性设计要求
一般要求
飞机结构的经济寿命必须大于设计使用寿命 飞机结构的经济寿命必须进行试验验证 在设计使用寿命期内，飞机结构不允许出现开裂、分层、脱胶、变形
为了保证结构安全而需进行修理、更换和检查 干扰飞机的机械操作 影响飞机的气动特性 产生功能性障碍 在稳态飞行或地面运输条件下引起裂纹/分层的持续扩展
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结构分析要求
一般要求
复合材料的结构分析是主要的设计内容之一，包括静动分析，气动 弹性剪裁及耐久性与损伤容限分析 结构分析过程中使用的方法，手段，工具都应经过验证并有足够的 设计和使用经验。
静强度与刚度分析
金属结构静强度与刚度分析的要求原则上适用于复合材料结构 1）复合材料的层压板的应力应变关系在破坏前呈线性，无屈服极限 2）结构所用层压板的弹性常数一般采用经典层压板理论，层压板破 坏分析应采用经验证的失效准则，并辅以适当的刚度削减法则 3）判断复合材料结构失效的设计许用值，一般不直接采用无损试样 得到的极限破坏强度
2
结构设计要求 静强度设计要求
一般要求
在进行部件结构静强度分析与试验验证时，应保证在使用载荷下 结构不产生有害的变形和损伤，在设计载荷下结构不出现总体破坏
应通过设计载荷下的部件试验程序来验证复合材料结构的静强度、 符合设计准则的程度和可能的强度储备。
对安全裕度大的复合材料结构，可通过试样、元件和组合件试验结 果支持的分析来验证
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动力分析
原则上与金属结构的动力学分析要求一致，是动力学设计 的基础，主要包括动特性分析，动载荷与动响应分析，结 构敏感度分析与动力学优化分析，鸟撞损伤和射弹损伤分 析，声响应和声疲劳分析。
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复合材料结构设计设计要求和原则
复合材料结构设计设计要求和原则1.强度和刚度要求：设计复合材料结构时，需要保证所选材料的强度和刚度满足设计要求。
根据实际使用条件和工作负荷，选择适当的复合材料，如碳纤维、玻璃纤维、金属基等，以满足结构的强度和刚度要求。
2.轻量化要求：复合材料结构的一个重要设计要求是实现轻量化。
由于复合材料具有较高的比强度和比刚度，可以在结构设计中使用更少的材料来实现相同的功能，从而减轻结构的自重。
轻量化不仅可以降低能耗和生产成本，还可以提高结构的性能和可靠性。
3.热膨胀匹配要求：由于不同材料的热膨胀系数不同，在复合材料结构设计中需要考虑材料之间的热膨胀匹配问题。
选择具有相似热膨胀系数的材料，或者通过采取合适的复合材料设计和工艺方法来改善热膨胀匹配性能，以减小结构在温度变化下的应力和应变。
4.基体和增强相的设计要求：在复合材料结构设计中，基体和增强相起着不同的作用，需要根据设计要求对其进行合理的选择和设计。
基体通常选择具有良好耐热性、耐蚀性和耐磨性的材料，而增强相则选择具有高强度和高刚度的材料。
同时，需要考虑基体和增强相之间的黏结力和界面效应，以确保复合材料结构的性能和可靠性。
5.界面设计要求：复合材料结构中的界面设计尤为重要。
界面质量直接影响到材料的性能和可靠性。
在界面设计中，需要考虑界面黏结强度、界面渗透性和界面应力分布等因素。
通过合理的设计和加工工艺，可以改善材料的界面性能，提高结构的性能和可靠性。
6.设计可加工性要求：复合材料结构设计不仅要考虑结构的性能和可靠性，还要考虑可加工性。
选择适合的复合材料和合适的加工工艺，能够提高结构的加工效率，降低生产成本。
同时，还需要考虑结构的易检修性和可再加工性，以提高结构的可维护性和可重复使用性。
7.安全性和环境友好性要求：在复合材料结构设计中，需要考虑结构的安全性和环境友好性。
通过合理的设计和材料选择，可以减少结构的潜在安全风险和环境污染。
设计中还需要考虑结构的耐久性、抗老化性和维修性，以确保结构的长期安全可靠运行。
《复合材料结构设计》课件
《复合材料结构设计》课件一、综述随着科技的快速发展，复合材料结构设计已经成为当今工程领域中的一个重要研究方向。
复合材料以其独特的优势，如轻质、高强、耐腐蚀等特性，被广泛应用于航空、汽车、建筑等各个行业。
本文的《复合材料结构设计》课件旨在系统介绍复合材料的结构设计与优化技术，以期为相关领域的科研人员和工程师提供理论指导和实践参考。
复合材料自问世以来，其结构设计理论和技术就一直在不断地发展和完善。
随着新材料科学的进步，复合材料的种类日益增多，其结构设计也从单一的层合板结构逐步扩展到更为复杂的夹芯结构、功能梯度结构等。
复合材料的结构设计理论逐渐引起了学术界的广泛关注，成为一个活跃的研究领域。
特别是现代高性能计算与数值模拟技术的发展，使得复杂结构的精确分析与优化设计成为可能。
国内外学者在复合材料结构设计方面已经取得了许多重要的研究成果和突破。
复合材料结构设计的研究意义在于其能够显著提高复合材料的性能和使用价值。
通过合理的结构设计，可以优化复合材料的力学性能、热学性能、抗疲劳性能等，从而满足各种工程应用的需求。
随着复合材料结构设计理论的不断发展，其在航空航天、汽车制造、建筑等领域的应用也将得到进一步的拓展和深化。
研究复合材料结构设计具有重要的理论价值和实践意义。
本课件将详细介绍复合材料结构设计的基本原理和方法。
我们将介绍复合材料的类型与特性；探讨复合材料结构设计的基本步骤和要点；结合实际案例进行复合材料结构设计的实例分析；我们将介绍先进的数值模拟技术和优化设计方法在实际设计中的应用。
本课件还将关注最新的研究成果和发展趋势，以期为读者提供一个全面而深入的视角。
通过本课件的学习，读者将能够系统地掌握复合材料结构设计的基本理论和实际应用技术。
1. 复合材料的定义与发展概述复合材料是一种由两种或多种不同性质、不同结构的材料通过一定的工艺手段组合而成的具有优异性能的新型材料。
这些组成材料通常具有不同的物理、化学和机械性能，经过复合后产生协同效应，使得复合材料表现出比单一材料更优越的综合性能。
复合材料的复合原则及界面
复合材料的复合原则及界面
整理课件
1
第一节 复合原则
要想制备一种好的复合材料，首先应 根据所要求的性能进行设计，这样才能成 功地制备出性能理想的复合材料。
复合材料的设计应遵循的原则如下：
整理课件
2
一、材料组元的选择
挑选最合适的材料组元尤为重要。
在选择材料组元时，首先应明确各组 元在使用中所应承担的功能，也就是说， 必须明确对材料性能的要求。
表面层的力学特性，润湿速度等。
整理课件
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由于界面区相对于整体材料所占比重甚 微，欲单独对某一性能进行度量有很大困难。
因此常借于整体材料的力学性能来表征 界面性能，如层间剪切强度(ILSS)就是研究 界面粘结的良好办法；
如再能配合断裂形貌分析等即可对界面
的其他性能作较深入的研究。
整理课件
38
由于复合材料的破坏形式随作 用力的类型、原材料结构组成不同 而异，故破坏可开始在树脂基体或 增强剂，也可开始在界面。
(2)阻断效应 结合适当的界面有阻止裂纹
扩展、中断材料破坏、减缓应力集中的作用。
整理课件
27
(3)不连续效应 在界面上产生物理性能 的不连续性和界面摩擦出现的现象，如抗电性、 电感应性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等。
(4)散射和吸收效应 光波、声波、热弹
性波、冲击波等在界面产生散射和吸收，如透
光性、隔热性、隔音性、耐机械冲击及耐热冲
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如金属基复合材料中，采用纤维与颗粒、 晶须增强时，同样采用固态法，但用纤维增 强时，一般采用扩散结合；而用颗粒或晶须 增强时，往往采用粉末冶金法结合。
因为颗粒或晶须增强时若采用扩散结合，
势必使制造工艺十分复杂，且无法保证颗粒
《复合材料力学》2复合材料的基体材料(标准版)
行复合，如碳化硅/铝，碳纤维/铝，氧化铝/铝等 复合材料用作发动机活塞、缸套等零件。
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工业集成电路： 高导热、低膨胀 如：银、铜、铝作为基体，与高导热性、低热膨胀
的超高模量石墨纤维、金刚石纤维、碳化硅颗粒 复合，用作散热元件和基板。
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2 金属基复合材料组成特点
针对不同的增强体系，应充分分析和考虑 增强物的特点来正确选择基体合金材料。
强材料与基体复合而成的复合材料。
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复合材料性能的综合比较
使用温度 ℃
强度 耐老化
导热性 W/(mK)
耐化学 腐蚀
树脂基复 合材料
60~250
可设计
最差
0.35~0.45
最好
金属基复 合材料
400~600
可设计
一般
50~65
一般
陶瓷基复 1000~150
可设计
合材料
0
5
最好
0.7~3.5
最好
工艺 成熟 一般 复杂
氮化硅陶瓷(Si3N4)
共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高 纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反 应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的 方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约 1350℃）。后者是将加适当的助烧剂 (MgO,Al2O3,1600~1700℃) 烧结。
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一种非常有用的设计思维，可对复杂的物理系统进行分析和模型化。
它旨在结合和整合不同类型的材料和结构元素，以改善材料性能并实现更好的结构构型，以满足工程应用的多样需求。
复合材料结构设计可以在传统的有机结构上添加纤维增强材料（FRP）来提升强度、结构性、以及多功能性，还可以有效抵御来自外部环境的挑战，大大提高结构的可靠性和耐用性。
针对于复合材料结构设计，首先应确定材料阶层结构的种类和粘合材料的种类。
复合材料阶层结构可以采用单层结构、多层结构或其他复杂结构构型，包括双轴对角式阶层结构、双轴中心式阶层结构和三轴中心式阶层结构等。
而粘合材料的种类取决于用于粘合的材料性能，以及粘合部件的成份，包括热熔粘合、钉接粘合、电容粘合和化学粘合等。
接着，可以对结构进行分析，以计算其受力情况，并设计可以提供所需特性的增强元件类型。
具体而言，可以动态计算复合材料的动态响应特性，预测其受力性能，并从不同角度施加静态载荷选择最佳构型类型。
此外，可以叠加材料阶层以提高其强度，或者添加弹性结构以实现对外界环境条件的优良防护。
最后，根据具体情况，最终确定复合材料结构的设计方案。
在设计过程中需要考虑到材料的性能及成本，以及材料的工艺形状和应力变化情况，最终制定出最优的复合材料结构设计方案，以满足工程应用的多样需求。
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。
复合材料结构设计设计要求和原则(课堂PPT)
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伤源 的敏感性
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损伤容限设计要求
缺陷尺寸假设
损伤容限要求含缺陷的结构在规定的使用期内有足够的剩余强度， 缺陷包括初始缺陷和使用损伤
结构设计要求和原则
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结构设计要求
一般要求
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
必须用分析、试验或同时使用这两种方法，来确定承载最严重情况的 载荷时，每个胶接接头允许出现的最大脱胶区域，并通过细节设计来 防止产生大于这一区域的脱胶可能性
必须对每件制成品进行验证试验，对每一关键胶接接头，施加最严重 的载荷
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动力学设计要求
对振动严重结构必须按照频率控制设计原则，响应控制原则以及声疲 劳寿命要求进行动力学设计
复合材料结构的动特性，动响应和声疲劳性能均与层压板中铺层的铺设 方向，铺层顺序以及层数等因素相关，应选择合理的方法，确保结构在 正常使用条件下避开干扰频率的共振区，钟乳区，将最大响应控制
维修性设计要求
结构方案设计时要制定复合材料结构的维修大纲 根据结构可能产生的损伤，分段或分区确定维修等级 结构设计时应为维修提供足够的可达性与开敞性 确定修理方法时，需考虑检测方法，所使用的材料以及固化工艺过程 军机应允许采用机械连接补丁板修理 采取有效技术途径减轻结构损伤，减少维修工作
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1）在飞机首飞上天之前，开始耐久性验证试验 2）耐久性试验寿命应始终领先于已交付飞行的所有飞机中，飞行 次数最多的飞机的2-3倍 3）对民用飞机，在飞机取得适航证之前，耐久性验证试验必须完 成一倍使用寿命的飞行次数
对复合材料结构的补充要求 1）疲劳分散性，由于复合材料结构有一定的疲劳分散性，对部 件试验，应证实其具有不低于同类金属结构的耐久性水平 2）湿热环境影响，进行试样、元件或组合件试验来确定环境对 结构耐久性的影响 3）冲击损伤的影响 4）刚度特性考虑，在耐久性试验时，应证实刚度特性的退化没 有超出可接受的水平 复合材料/金属混合结构的耐久性验证试验 由于复合材料结构和金属结构具有不同的疲劳和环境敏感性，难 以在同一个试验件上同时验证这两种材料结构的耐久性 1）积木式验证方法 2）采用两个相同的部件分别验证金属结构和复合材料结构的耐 久性 3）采用已被应用并证实是合理的其他方法
结构设计要求
特殊要求
静强度设计要求
对铺层的强度计算应采用已经验证的失效准则 当结构使用温度范围很宽或复合材料性能在不同温度下变化 较大时，应力分析用性能数据可以按结构使用温度划分温度 区间，材料弹性常数取相应温度区间内的平均值
刚度设计要求
结构在使用载荷下不允许产生有害的变形和损伤
应充分利用复合材料铺层的可设计性，通过合理地选取铺层角、 铺层比和铺层顺序，以最小的质量达到满意的刚度
2）飞机结构的极端气候条件 A) 按飞机预定使用地区内的气候高温，加上日光暴晒引起的最大 可能升温，确定气候引起的结构最高温度，按地面最低温度和 空中飞行低温之最低值确定气候引起的结构最低温度 B) 应考虑使用寿命期内的吸湿量和气候最高温度组合作用对不具 备控温条件的亚，跨声速飞机复合材料结构强度与刚度的影响 也适用于超声速飞机不受气动加热和发动机等热源影响的复合 材料结构
结构静强度验证
分散性考虑
复合材料结构的材料和工艺变异性大于目前所用金属结 构的 变异性，在确定设计许用值时考虑
湿热环境考虑
考虑预期最严重的湿热环境影响，可选用环境补偿因子 法， 环境补偿系数法，应力-应变关系外推法和环境箱模拟法
结构耐久性验证
试验要求
要求进行设计研制试验，以便确定设计概念，选材，确定载荷谱 的影响和对关键结构件的耐久性提供早期评估
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。
由于复合材料的破坏机理与金属不同，金属结构使用的方法和程序基 本上不能用于复合材料结构
积木式设计试验验证方法是有效可靠的途径
复合材料结构环境条件的确定
根据飞机的服役地区，飞行范围，材料体系，使用任务，结构状况等 制定飞机复合材料结构环境设计准则，准则应包括对复合材料结构完 整性有明显影响的所有总体环境与局部环境，环境设计准则应评定复 合材料结构可能遭受到的最严重的单项和组合环境，也应评定长期作 用的环境谱，包括出现强度，出现频率，持续时间以及出现顺序
弹性常数可选取对应温度区间内的典型值
耐久性设计要求 一般要求
飞机结构的经济寿命必须大于设计使用寿命 飞机结构的经济寿命必须进行试验验证 在设计使用寿命期内，飞机结构不允许出现开裂、分层、脱胶、变形 为了保证结构安全而需进行修理、更换和检查 干扰飞机的机械操作 影响飞机的气动特性 产生功能性障碍 在稳态飞行或地面运输条件下引起裂纹/分层的持续扩展
结构损伤容限验证
1）应对结构关键区域的元件，细节件和组合件进行重复载荷试验， 以确定结构对损伤扩展的敏感性 2）剩余强度评定需采用部件试验，或采用组合作试验数据支持的 分析来完成 3）试验大纲中应包括由检查频率，范围和方法组成的检查程序
损伤扩展，对可能出现的每种缺陷/损伤类型，有在使用载荷谱下 可靠的扩展特性数据。同时给出这一扩展规律的统计变异性，并能 证实所给出的检测方法足够可靠
胶接接头的损伤容限专用条件
如现有的制造技术无法保证每个胶接接头均能达到其设计强度，无损 检测又无法检测出所有的脱胶或弱胶接缺陷时，必须采用以下方法， 证实危及飞行安全的关键件中每一胶接接头的承载能力不低于使用载荷
动力分析
原则上与金属结构的动力学分析要求一致，是动力学设计 的基础，主要包括动特性分析，动载荷与动响应分析，结 构敏感度分析与动力学优化分析，鸟撞损伤和射弹损伤分 析，声响应和声疲劳分析。 通过分析并根据动力学设计要求合理选择结构形式，结构 布局与铺层参数，提高结构振动品质
计算机软件
结构设计和优化软件 结构应力分析和强度校核软件 动力分析软件 耐久性和损伤容限分析软件 连接开孔等细节设计与分析软件 稳定分析软件
冲击环境
腐蚀环境与老化
飞机复合材料结构可能遭受工具掉落，冰雹，制造以及地面设备撞击， 起飞或着陆时机轮溅起的碎石，螺钉及轮胎碎片的冲击，也可能受到弹 丸或弹片等冲击，通过分析和试验，验证复合材料结构在制造和使用整 个寿命期间内可能遇到的各种冲击环境下，仍能有足够的结构完整性 1）低能量冲击，不会使冲击表面出现目视可检损伤形态的外来物冲击， 低速冲击，由于出现概率高，引起的损伤不易发现，使结构承载能力降 低 2）高能量冲击，使冲击表面产生明显可目视可检损伤形态的外来物冲 击，如子弹伤，受高能量冲击损伤的结构应能保证继续飞行并安全着陆 3）冲击损伤部位和数量的选取，考虑损伤对结构剩余强度和耐久性影 响的程度，低能量冲击着重考虑主要承受压缩载荷的结构部位，对穿透 损伤，结构受拉部位与受压部位均需考虑
维修性设计要求
结构方案设计时要制定复合材料结构的维修大纲 根据结构可能产生的损伤，分段或分区确定维修等级 结构设计时应为维修提供足够的可达性与开敞性 确定修理方法时，需考虑检测方法，所使用的材料以及固化工艺过程 军机应允许采用机械连接补丁板修理 采取有效技术途径减轻结构损伤，减少维修工作
结构分析要求
结构设计要求和原则
结构设计要求
一般要求
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
必须用分析、试验或同时使用这两种方法，来确定承载最严重情况的 载荷时，每个胶接接头允许出现的最大脱胶区域，并通过细节设计来 防止产生大于这一区域的脱胶可能性 必须对每件制成品进行验证试验，对每一关键胶接接头，施加最严重 的载荷
动力学设计要求
对振动严重结构必须按照频率控制设计原则，响应控制原则以及声疲 劳寿命要求进行动力学设计 复合材料结构的动特性，动响应和声疲劳性能均与层压板中铺层的铺设 方向，铺层顺序以及层数等因素相关，应选择合理的方法，确保结构在 正常使用条件下避开干扰频率的共振区，钟乳区，将最大响应控制
湿热环境
应通过分析和试验，验证复合材料结构在设计使用寿命期内，在可能遇 到的温度、湿度和载荷环境的单独或综合作用下，仍具有足够的完整性
1）复合材料的吸湿，降低基体玻璃化转变温度，产生结构 湿应力和尺寸不稳定性。吸湿量将影响复合材料结构的强度， 刚度，阻尼特性，耐久性，损伤扩展特性以及剩余强度
A) 复合材料的吸湿是一个缓慢的水分扩散过程，吸湿的速率以及平衡 量取决于环境的温度、相对湿度、材料体系和材料厚度，气候条件 下的吸湿和脱湿是一个可逆过程 B) 复合材料结构的吸湿量主要取决于结构形式，场站停放和贮存环境， 复合材料结构的厚度，单面或双面暴露，表面状况以及在飞机的部位 C) 对于热冲击敏感材料，超声速飞行的高温剖面造成的冷热冲击可能产 生微裂纹，引起材料不可逆损伤，并增大吸湿量 D) 应根据飞机设计使用寿命和预期使用环境，确定复合材料结构达到平 衡吸湿量后，它与使用中结构最高温度组合成的最严重环境条件
损伤容限设计要求 缺陷尺寸假设
损伤容限要求含缺陷的结构在规定的使用期内有足够的剩余强度， 缺陷包括初始缺陷和使用损伤 初始缺陷：很难用目视检测方法检出，包括冲击损伤、分层和划伤 使用损伤：鸟撞等高能量外来物冲击及雷击产生的目视易检损伤
损伤扩展要求
复合材料结构为缓慢“裂纹”扩展结构
损伤无扩展，应通过试验支持的分析或由试样、元件或结构件的 疲劳试验来验证，损伤无扩展循环数应考虑复合材料的疲劳分散性 如在规定的检查间隔内出现明显的缺陷/损伤扩展时，须更改设计
结构试验验证要求
结构完整性验证大纲与验证方法
复合材料结构完整性验证大纲 选材论证报告，环境条件的确定准则，载荷报告， 结构分析计划（静强度、刚度、耐久性和损伤容限），结构完整性试 验验证大纲（试样、元件、组合件的研制试验计划和全尺寸结构试验 验证大纲） 全尺寸部件结构完整性试验验证大纲 承制方应制定复合材料全尺寸部件结构完整性试验验证大纲，大纲应 规定试验内容，顺序安排，载荷情况，试验件要求，环境影响的处理， 人工缺陷/损伤的引入，试验数据的处理 积木式设计验证试验方法 多层次试验验证有助于使技术难点如环境影响，损伤性能等在低层次 上通过试验研究得到解决，并避免全尺寸试验的复杂性和实施困难
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伤源 的敏感性
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 4）湿热载荷谱编制 湿热环境谱应为飞机预期使用地域中较严重地区的平均湿热谱， 其吸湿量应为使用寿命期内达到的平衡吸湿量