--复合材料的结构设计

一次结构
固体力学
二次结构
三次结构
? 一次结构是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其 力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何 (各相材料 的形状、分布、含量)和界面区的性能。
? 二次结构是指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能 决定于单层材料的力学性能和铺层几何 ( 各单层的厚度、 铺设方向、铺层序列) 。
（1）确定复合比 复合比一般是根据单层的承力性质或单层的使
用性能选取的。
（2）刚度预测与核定 理论推测，实验核定。
（3）强度预测与核定 横向强度预测困难，以实验为准。 纵向拉伸强度(纤维延伸率小，首先断裂)
? c ? ? f max ?V f ? ? m ?Vm 纤维量多，取决于纤维
? c ? ? m?max ?Vm
? 材料设计包括原材料选择、单层性能的确定和复 合材料层合板设计。
? 在此以聚合物基的复合材料的设计为例
1. 原料选择
（1）原材料选择原则
① 比强度、比刚度高； ② 材料与结构的 使用环境相适应； ③ 满足结构特殊性要求； ④ 满足工艺性要求； ⑤ 成本低、效益高。
（2）纤维选择 选择纤维时，首先要确定纤维的类别，其次要
性树脂，另一类为热塑性树脂。
热固性树脂包括环氧、酚醛、聚酯、聚酰 亚胺树脂 热塑性树脂如聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、 尼龙等。
? （3）树脂的选择 ? ①要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工
作。 ? ②要求基体材料具有一定的力学性能。 ? ③要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤维的断
裂伸长率，以确保充分发挥纤维的增强作用。 ? ④要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学
提供装置各种配件、仪器等附件的空间。对结构形 状和尺寸有一定限制
隔绝外界的环境状态而保护内部物体
? 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。
? 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。
2.1 复合材料结构设计过程
性能要求 载荷情况 环境要求 形状限制
源材料选择
铺层性能确定
应力与变形 分析
层合板设计
失效分析
明确设计条件
材料设计
典型构件分析
结构设计
结构设计
图1：复合材料结构设计综合过程图
? （1）明确设计条件。如结构性能要求、载荷情况、环境 条件、形状限制、结构可靠性与经济性等
? （2）材料设计。包括原材料选择、铺层性能的确定、复 合材料层合板的设计等
? 三次结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性 能决定于层合体的力学性能和结构几何。
复合材料设计的三个层次
- ?????
??? ??? ??
- Supply Chain? ??? ?? ?? ??
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? （3）结构设计。包括复合材料典型结构件（如杆、梁、 板、壳等）的设计，以及复合材料结构（如刚架、硬壳式 结构等）的设计。
2.2 复合材料结构设计条件
? 结构性能要求 ? 载荷情况 ? 环境条件 ? 结构的可靠性与经济性
复合材料结构设计条件
? 结构性能要求
结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全
总成本最低时（即经济性最好）的可靠性为最合理。
? 环境条件
力学条件：加速度、冲击、振动、声音等
物理条件：压力、温度、湿度等
气象条件：风雨、冰雪、日光等 大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙 等
条件①和②主要影响结构的强度和刚度， 条件③和④主要影响结构的腐蚀、磨损、老化等。
2.3 材料设计
? 材料设计，通常是指用几种原材料组合成具有所 要求性能的材料的过程。原材料包括基体材料和 增强材料。
确定纤维的品种规格。
选择纤维类别，是根据结构的功能选取能满足一 定的力学、物理和化学性能的纤维。 选择纤维规格，是按比强度、比刚度和性价比选 取的。
①高强度，高刚度 ②高抗冲击 ③低温性能 ④尺寸稳定 ⑤透波，吸波
高性能CF 、BF GF 、KF CF KF 、CF GF 、KF 、Al2O3
（3）树脂选择 目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固
性能 ? ⑤要求具有一定的工艺性
①受力结构件首选热固性树脂，大量使用、连续挤 压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）；
②<150℃ ，聚酯或环氧； ③150 ～400℃, 聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂； ④内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）。
2. 单层性能的确定 目的： 为层合板设计提供依据 —— 强度、刚 度 一般过程： 确定复合比 → 性能预测 → 实验校核
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
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。
复合材料力学的研究内容可以分为： 微观力学：研究纤维、基体组份性能与单向板性能的
纤维量少，取决于基体
纵向压缩强度
? c ? 2Vf
Vf ?E f ?Em 3(1? Vf )
?
c
?
Gm 1? Vf
最后以实验校核为准。
取计算结果小者
3. 层合板设计(P96)
内容包括：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。
关系。 宏观力学：层合板的刚度与强度分析、湿热环境的影
响等等。
2、复合材料结构设计过程 （教材P87)
? 复合材料结构设计是选用不同材料综合各种设计 （如层合板设计、典型结构设计、连接设计等） 的反复过程。
? 需考虑的一些主要因素：结构质量、研制成本、 制造工艺、结构鉴Fra Baidu bibliotek、质量控制、工装模具的通 用性、设计经验
第九章 复合材料的结构设计
主要内容
? 1、复合材料结构设计的概念和基础 ? 2、复合材料的设计过程 ? 3、复合材料设计的举例
一、复合材料的结构设计基础 （教材P8-9）
? 复合材料本身是非均质、各向异性材料，因此，复合材料力学在经典 非均质各向异性弹性力学基础上得到迅速发展。
? 复合材料不仅是材料，更确切的说是结构 。