2-复合材料结构对力学性能的要求
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CTD：- 55°C/干态 RTD：室温干态 ETD：70℃ /干态、82℃ /干态 ETW：70℃ /湿态、82℃ /湿态
（一）复合材料力学性能试验分类
1、预浸料类材料选择试验——试验矩阵
（一）复合材料力学性能试验分类
1、预浸料类材料选择试验——液体敏感性
类别I为有可能储存或与材料长期接触的液体，包括发动机燃 油、液压油、冷却液、发动机润滑油等； 类别II为涂上后擦去（或蒸发）或与材料短时接触的液体， 包括清洁液、洗涤液、除冰剂等。
的应力状态
强度失效准则 结构是否失效？
材料常数？
（二）力学性能数据应用——单向板
层合板刚度与 强度分析流程图
经典层压板理论 （CLT）
强度失效准则
（二）力学性能数据应用——单向板
材料常数：
0拉伸E1t、v12 0压缩E1c 90拉伸E2t 90压缩E2c 面内(纵横)剪切G12
(MPa) (GPa) () (MPa) ()
(J) (mm) (mm2) (mm) (MPa) ()
试验标准 几何尺寸
ASTM D 5766
250362.5
ASTM D 6484
300364
ASTM D 7136
1501504
ASTM D 7137
1501005
（二）力学性能数据应用——典型元件
3、结构证实试验——设计许用值试验
疲劳试验 §25.571 典型铺层层压板冲击后压-压疲劳试验 典型铺层层压板开孔拉-压疲劳试验 紧固件拉-拉疲劳试验 夹层结构疲劳损伤特性试验
（二）力学性能数据应用——单向板
结构承受的外载荷 结构刚度矩阵
结构的变形 （应变）
单元刚度矩阵 结构（每个单层）
（二）力学性能数据应用——典型元件
目的——确定复合材料结构的设计许用值
设计许用值：应根据所设计具体结构的完整性要求（通常为强
度、刚度、耐久性和损伤容限，包括满足使用条件下损伤无扩展要 求），在已有材料许用值、代表结构典型特征的试样、元件（包括 典型结构件）试验结果及设计和使用经验的基础上，还应根据组合 件的试验结果，规定和验证结构设计许用值。
试验内容
0o（经向）拉伸 90o（纬向）拉伸 0o（经向）压缩强度 0o（经向）压缩模量 90o（纬向）压缩强度 90o（纬向）压缩模量 面内剪切模量及强度
短梁剪切
简化取样
试验标准
ASTM D 3039 ASTM D 3039 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 ASTM D 5379 ASTM D 2344
511
511
511
511
511
511
511
511
511
511
511
511
511
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--
511
--
ETD 511 511 511 511 511 511 511
--
（一）复合材料力学性能试验分类
2、预浸料类材料取证试验——材料许用值试验 §25.603
评价复杂性逐渐增大的结构组合的行为与破坏模式。
（一）复合材料力学性能试验分类
按数据应用分类：
1、材料选择试验（选材试验）：
对结构完整性最为关键的环境条件和载荷条件下对材料体系进行初步评价， 选择有可能用于应用对象的材料体系。
2、材料取证试验
证明给定的材料/工艺满足材料规范要求的能力，目标是定量地评定关键 材料性能的变异性，以建立材料许用值。
B基准值
结构分析用的层压板弹性模量通常由单向板弹性模量平均值经层压板 理论计算得到，应采用相应温度区间的单向板弹性模量。
（二）力学性能数据应用——单向板
材料许用值 材料许用值主要考虑单向
板（对织物为经向和纬向） 和多向层压板的基本力学 性能； 材料许用值应考虑吸湿量 与温度的联合作用； 分为A 基准值、B 基准值 和平均值，采用何种基准 应根据具体工程项目的结 构设计准则而定。
（一）复合材料力学性能试验分类
3、结构证实试验——设计许用值试验 §25.613
无缺口层压板设计许用值试验
ASTM D 3039 ASTM D 6641
（一）复合材料力学性能试验分类
3、结构证实试验——设计许用值试验 §25.613
含缺口层压板设计许用值试验
ASTM D 5766 ASTM D 6484 ASTM D 6742
ASTM D 6742
250362.5
300364
ASTM D 5961
135364
（三二）、复复合合材材料料力力学学性性能能试试验验分项类目
单层级
拉伸试验 压缩试验 剪切试验 弯曲试验 短梁剪切试验 层间断裂韧性试验
1）DCB试验—GIC 2）ENF试验—GIIC 3）MMB试验—GIC+ GIIC 开孔/充填孔拉伸试验 开孔/充填孔压缩试验 螺栓挤压试验 冲击和损伤容限试验 1）冲击试验 2）准静态压痕（QSI）试验 3）冲击后压缩试验
(b)
（一）复合材料力学性能试验分类
1、预浸料类材料选择试验——使用环境
高温环境：一般试验中的最高试验温度为70℃ （选材时可 以考虑到82℃ ）
低温环境：最低服役温度-55℃ 湿态环境：平衡吸湿对复合材料结构的影响（ASTM D 5229
方法、HB 7401-96方法 、FAA方法）
每个试验条件的试件数
CTD
RTD
ETW
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ETD
36
36
36
36
36
36
36
36
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36
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36
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--
36
--
--
（一）复合材料力学性能试验分类
2、夹层结构类材料取证试验——材料许用值试验 §25.603
对技术和产品的支持 材料和产品性能改进 新材料研发 材料的筛选 质量控制 质量保证 设计计算 试验条件外的性能预测 理论推导 ……
材料研制
试验
产品开发
（ 一二）、复复合合材材料料力力学学性性能能试试验验分分类类
复合材料结构的积木式验证方法
其中最底部的试样级试验包括：1）确定材料许用值所需的试验，2）确定 结构设计许用值中含一般结构特征的元件级试验；它们构成了复合材料数据库 的基本数据。
对给定层压板的性能进行表征。关键的性能包括拉伸、压缩、剪切 强度与模量，层间断裂韧性以及疲劳阻抗。 4、结构元件试验—— 结构设计许用值
评价材料容许常见层压板中不连续性的能力。关键的性能包括开孔 与充填孔拉伸/压缩强度、冲击后压缩强度以及连接的挤压强度与挤压 旁路强度。 5、组合件（或部件、全尺寸）试验：
材料常数： 0拉伸 Xt 0压缩 Xc 90拉伸 Yt 90压缩 Yc 面内(纵横)剪切 S
结构承受的外载荷
结构刚度矩阵
层压板结构的变形 （应变、位移）
单元刚度矩阵 多向层压板结构 （每个单层） 的应力状态
强度失效准则
结构是否失效？
（二）力学性能数据应用——单向板
6个模量值：
（一）复合材料力学性能试验分类
3、结构证实试验——设计许用值试验 §25.613
含冲击损伤层压板设计许用值试验
ASTM D 7136 ASTM D 7137
（一）复合材料力学性能试验分类
3、结构证实试验——设计许用值试验 §25.613
机械连接设计许用值试验
ASTM D 5961
（一）复合材料力学性能试验分类
复合材料力学性能测试技术
(二） 复合材料结构对力学性能的要求
杨胜春 2015-06-25
（一）复合材料力学试验分类 （二）力学性能数据的应用 （三）复合材料力学性能试验项目
（一）复合材料力学试验分类
试验 物理性能 化学性能 力学性能（材料 /结构许用值） 耐环境 可靠性 ……
材料 性能数据 产品设计 产品制造 使用、维护
（二）力学性能数据应用——典型元件
多向层压板力学性能（2—含孔、损伤性能）
性能
开孔 拉伸
开孔 压缩
冲击
冲击后 压缩
强度 模量 破坏应变 强度 模量 冲击能量 凹坑深度 损伤面积 损伤宽度 强度 破坏应变
符号
oht Eoht oht ohc ohc E AD WD cai cai
单位
（二）力学性能数据应用——典型元件
设计许用值（设计值） 刚度(Stiffness)设计许用值——25.305，307 静强度(Static Strength)设计许用值——25.305，307 耐久性(Durability)设计许用值——25.571 损伤容限(Damage Tolerance)设计许用值——25.571 连接(Joints)许用值
3、材料验收试验
通过周期性地对材料产品进行采样并评价关键的材料性能，以检验材料的 符合性。
4、材料等同性试验
评价：同一材料新数据集与现有数据库的等同性、替代材料与原有材料的 等同性。
5、结构证实试验
评定给定结构满足具体应用要求，即满足结构完整性要求的能力。结构设 计许用值是基于材料许用值，并考虑到应用对象的结构完整性要求得到的。建 立设计许用值是结构证实试验的一部分。
CCAR 25.603 FAR 25.603
考虑低温、室温、高温干湿态、批次等因素
试验类型： 1）模量 0拉伸E1t、v12 0压缩E1c 90拉伸E2t 90压缩E2c 面内(纵横)剪切G12
2）强度 0拉伸 Xt 0压缩 Xc 90拉伸 Yt 90压缩 Yc 面内(纵横)剪切 S
上述设计值中取最小值
（二）力学性能数据应用——典型元件
设计许用值是结构验证的基础，为确定设计许用值应用大量试样和元件（包括 典型结构件）试验给出下列性能： a) 拉伸许用值——室温与干冷条件下结构典型铺层含孔（开孔或充填孔）层压板拉 伸强度及相应的破坏应变； b) 压缩许用值——室温与湿热条件下结构典型铺层含孔（开孔或充填孔）层压板压 缩强度及相应的破坏应变； c) 压缩许用值——含冲击损伤结构典型铺层层压板的压缩强度和相应的破坏应变； d) 机械连接许用值——室温与湿热条件下结构典型铺层机械连接的挤压极限强度与 屈服强度； e) 胶接连接许用值——室温与湿热条件下结构典型铺层胶接连接的极限强度； e) 室温与干冷或湿热条件下典型结构接头的极限强度； f) 其他与确定设计许用值有关的试样和元件（包括典型结构件）性能。
短梁剪切
充分取样
试验标准
ASTM D 3039 ASTM D 3039 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 ASTM D 5379 ASTM D 2344
每个试验条件的试件数
CTD
RTD
ETW
511
511
511
511
511
511
5个强度值：
E1t ：0（纵向）拉伸模量 v12 ：泊松比 E1c ：0 （纵向）压缩模量 E2t ： 90（横向）拉伸模量 E2c ：90（横向）压缩模量 G12 ：面内(纵横)剪切模量 平均值
Xt ：0（纵向）拉伸强度 Xc ：0（纵向）压缩强度 Yt ： 90（横向）拉伸强度 Yc ：90（横向）压缩强度 S ：面内(纵横)剪切强度
多向层压板力学性能（2—含紧固件性能：充填孔、挤压）
性能
符号
单 位 试验标准 几何尺寸
充填孔 拉伸
强度 模量 破坏应变
充填孔 压缩
强度 破坏应变
螺栓 挤压
挤压强度 偏移挤压强度
fht Efht fht fhc fhc bru bru2%
(MPa) (GPa) () (MPa) () (MPa) (MPa)
（二一、）复复合合材材料料力力学学性性能能试试验验分分类类
按试验件/结构复杂性分为5个等级：
1、组分试验： 对纤维、基体性能进行评价。例如，密度，拉伸强度与拉伸模量。
2、单层级试验—— 选材、材料许用值等 对纤维和树脂共同的性能进行评价。关键的性能包括物理性能、力
学性能：单层（单向板）的拉伸、压缩以剪切强度与模量。 3、层压板级试验
（一）复合材料力学性能试验分类
1、夹层结构类材料选择试验——试验矩阵
（一）复合材料力学性能试验分类
2、预浸料类材料取证试验——材料许用值试验 §25.603
试验内容
0o（经向）拉伸 90o（纬向）拉伸 0o（经向）压缩强度 0o（经向）压缩模量 90o（纬向）压缩强度 90o（纬向）压缩模量 面内剪切模量及强度
（一）复合材料力学性能试验分类
1、预浸料类材料选择试验——试验矩阵
（一）复合材料力学性能试验分类
1、预浸料类材料选择试验——液体敏感性
类别I为有可能储存或与材料长期接触的液体，包括发动机燃 油、液压油、冷却液、发动机润滑油等； 类别II为涂上后擦去（或蒸发）或与材料短时接触的液体， 包括清洁液、洗涤液、除冰剂等。
的应力状态
强度失效准则 结构是否失效？
材料常数？
（二）力学性能数据应用——单向板
层合板刚度与 强度分析流程图
经典层压板理论 （CLT）
强度失效准则
（二）力学性能数据应用——单向板
材料常数：
0拉伸E1t、v12 0压缩E1c 90拉伸E2t 90压缩E2c 面内(纵横)剪切G12
(MPa) (GPa) () (MPa) ()
(J) (mm) (mm2) (mm) (MPa) ()
试验标准 几何尺寸
ASTM D 5766
250362.5
ASTM D 6484
300364
ASTM D 7136
1501504
ASTM D 7137
1501005
（二）力学性能数据应用——典型元件
3、结构证实试验——设计许用值试验
疲劳试验 §25.571 典型铺层层压板冲击后压-压疲劳试验 典型铺层层压板开孔拉-压疲劳试验 紧固件拉-拉疲劳试验 夹层结构疲劳损伤特性试验
（二）力学性能数据应用——单向板
结构承受的外载荷 结构刚度矩阵
结构的变形 （应变）
单元刚度矩阵 结构（每个单层）
（二）力学性能数据应用——典型元件
目的——确定复合材料结构的设计许用值
设计许用值：应根据所设计具体结构的完整性要求（通常为强
度、刚度、耐久性和损伤容限，包括满足使用条件下损伤无扩展要 求），在已有材料许用值、代表结构典型特征的试样、元件（包括 典型结构件）试验结果及设计和使用经验的基础上，还应根据组合 件的试验结果，规定和验证结构设计许用值。
试验内容
0o（经向）拉伸 90o（纬向）拉伸 0o（经向）压缩强度 0o（经向）压缩模量 90o（纬向）压缩强度 90o（纬向）压缩模量 面内剪切模量及强度
短梁剪切
简化取样
试验标准
ASTM D 3039 ASTM D 3039 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 ASTM D 5379 ASTM D 2344
511
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ETD 511 511 511 511 511 511 511
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（一）复合材料力学性能试验分类
2、预浸料类材料取证试验——材料许用值试验 §25.603
评价复杂性逐渐增大的结构组合的行为与破坏模式。
（一）复合材料力学性能试验分类
按数据应用分类：
1、材料选择试验（选材试验）：
对结构完整性最为关键的环境条件和载荷条件下对材料体系进行初步评价， 选择有可能用于应用对象的材料体系。
2、材料取证试验
证明给定的材料/工艺满足材料规范要求的能力，目标是定量地评定关键 材料性能的变异性，以建立材料许用值。
B基准值
结构分析用的层压板弹性模量通常由单向板弹性模量平均值经层压板 理论计算得到，应采用相应温度区间的单向板弹性模量。
（二）力学性能数据应用——单向板
材料许用值 材料许用值主要考虑单向
板（对织物为经向和纬向） 和多向层压板的基本力学 性能； 材料许用值应考虑吸湿量 与温度的联合作用； 分为A 基准值、B 基准值 和平均值，采用何种基准 应根据具体工程项目的结 构设计准则而定。
（一）复合材料力学性能试验分类
3、结构证实试验——设计许用值试验 §25.613
无缺口层压板设计许用值试验
ASTM D 3039 ASTM D 6641
（一）复合材料力学性能试验分类
3、结构证实试验——设计许用值试验 §25.613
含缺口层压板设计许用值试验
ASTM D 5766 ASTM D 6484 ASTM D 6742
ASTM D 6742
250362.5
300364
ASTM D 5961
135364
（三二）、复复合合材材料料力力学学性性能能试试验验分项类目
单层级
拉伸试验 压缩试验 剪切试验 弯曲试验 短梁剪切试验 层间断裂韧性试验
1）DCB试验—GIC 2）ENF试验—GIIC 3）MMB试验—GIC+ GIIC 开孔/充填孔拉伸试验 开孔/充填孔压缩试验 螺栓挤压试验 冲击和损伤容限试验 1）冲击试验 2）准静态压痕（QSI）试验 3）冲击后压缩试验
(b)
（一）复合材料力学性能试验分类
1、预浸料类材料选择试验——使用环境
高温环境：一般试验中的最高试验温度为70℃ （选材时可 以考虑到82℃ ）
低温环境：最低服役温度-55℃ 湿态环境：平衡吸湿对复合材料结构的影响（ASTM D 5229
方法、HB 7401-96方法 、FAA方法）
每个试验条件的试件数
CTD
RTD
ETW
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ETD
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（一）复合材料力学性能试验分类
2、夹层结构类材料取证试验——材料许用值试验 §25.603
对技术和产品的支持 材料和产品性能改进 新材料研发 材料的筛选 质量控制 质量保证 设计计算 试验条件外的性能预测 理论推导 ……
材料研制
试验
产品开发
（ 一二）、复复合合材材料料力力学学性性能能试试验验分分类类
复合材料结构的积木式验证方法
其中最底部的试样级试验包括：1）确定材料许用值所需的试验，2）确定 结构设计许用值中含一般结构特征的元件级试验；它们构成了复合材料数据库 的基本数据。
对给定层压板的性能进行表征。关键的性能包括拉伸、压缩、剪切 强度与模量，层间断裂韧性以及疲劳阻抗。 4、结构元件试验—— 结构设计许用值
评价材料容许常见层压板中不连续性的能力。关键的性能包括开孔 与充填孔拉伸/压缩强度、冲击后压缩强度以及连接的挤压强度与挤压 旁路强度。 5、组合件（或部件、全尺寸）试验：
材料常数： 0拉伸 Xt 0压缩 Xc 90拉伸 Yt 90压缩 Yc 面内(纵横)剪切 S
结构承受的外载荷
结构刚度矩阵
层压板结构的变形 （应变、位移）
单元刚度矩阵 多向层压板结构 （每个单层） 的应力状态
强度失效准则
结构是否失效？
（二）力学性能数据应用——单向板
6个模量值：
（一）复合材料力学性能试验分类
3、结构证实试验——设计许用值试验 §25.613
含冲击损伤层压板设计许用值试验
ASTM D 7136 ASTM D 7137
（一）复合材料力学性能试验分类
3、结构证实试验——设计许用值试验 §25.613
机械连接设计许用值试验
ASTM D 5961
（一）复合材料力学性能试验分类
复合材料力学性能测试技术
(二） 复合材料结构对力学性能的要求
杨胜春 2015-06-25
（一）复合材料力学试验分类 （二）力学性能数据的应用 （三）复合材料力学性能试验项目
（一）复合材料力学试验分类
试验 物理性能 化学性能 力学性能（材料 /结构许用值） 耐环境 可靠性 ……
材料 性能数据 产品设计 产品制造 使用、维护
（二）力学性能数据应用——典型元件
多向层压板力学性能（2—含孔、损伤性能）
性能
开孔 拉伸
开孔 压缩
冲击
冲击后 压缩
强度 模量 破坏应变 强度 模量 冲击能量 凹坑深度 损伤面积 损伤宽度 强度 破坏应变
符号
oht Eoht oht ohc ohc E AD WD cai cai
单位
（二）力学性能数据应用——典型元件
设计许用值（设计值） 刚度(Stiffness)设计许用值——25.305，307 静强度(Static Strength)设计许用值——25.305，307 耐久性(Durability)设计许用值——25.571 损伤容限(Damage Tolerance)设计许用值——25.571 连接(Joints)许用值
3、材料验收试验
通过周期性地对材料产品进行采样并评价关键的材料性能，以检验材料的 符合性。
4、材料等同性试验
评价：同一材料新数据集与现有数据库的等同性、替代材料与原有材料的 等同性。
5、结构证实试验
评定给定结构满足具体应用要求，即满足结构完整性要求的能力。结构设 计许用值是基于材料许用值，并考虑到应用对象的结构完整性要求得到的。建 立设计许用值是结构证实试验的一部分。
CCAR 25.603 FAR 25.603
考虑低温、室温、高温干湿态、批次等因素
试验类型： 1）模量 0拉伸E1t、v12 0压缩E1c 90拉伸E2t 90压缩E2c 面内(纵横)剪切G12
2）强度 0拉伸 Xt 0压缩 Xc 90拉伸 Yt 90压缩 Yc 面内(纵横)剪切 S
上述设计值中取最小值
（二）力学性能数据应用——典型元件
设计许用值是结构验证的基础，为确定设计许用值应用大量试样和元件（包括 典型结构件）试验给出下列性能： a) 拉伸许用值——室温与干冷条件下结构典型铺层含孔（开孔或充填孔）层压板拉 伸强度及相应的破坏应变； b) 压缩许用值——室温与湿热条件下结构典型铺层含孔（开孔或充填孔）层压板压 缩强度及相应的破坏应变； c) 压缩许用值——含冲击损伤结构典型铺层层压板的压缩强度和相应的破坏应变； d) 机械连接许用值——室温与湿热条件下结构典型铺层机械连接的挤压极限强度与 屈服强度； e) 胶接连接许用值——室温与湿热条件下结构典型铺层胶接连接的极限强度； e) 室温与干冷或湿热条件下典型结构接头的极限强度； f) 其他与确定设计许用值有关的试样和元件（包括典型结构件）性能。
短梁剪切
充分取样
试验标准
ASTM D 3039 ASTM D 3039 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 ASTM D 5379 ASTM D 2344
每个试验条件的试件数
CTD
RTD
ETW
511
511
511
511
511
511
5个强度值：
E1t ：0（纵向）拉伸模量 v12 ：泊松比 E1c ：0 （纵向）压缩模量 E2t ： 90（横向）拉伸模量 E2c ：90（横向）压缩模量 G12 ：面内(纵横)剪切模量 平均值
Xt ：0（纵向）拉伸强度 Xc ：0（纵向）压缩强度 Yt ： 90（横向）拉伸强度 Yc ：90（横向）压缩强度 S ：面内(纵横)剪切强度
多向层压板力学性能（2—含紧固件性能：充填孔、挤压）
性能
符号
单 位 试验标准 几何尺寸
充填孔 拉伸
强度 模量 破坏应变
充填孔 压缩
强度 破坏应变
螺栓 挤压
挤压强度 偏移挤压强度
fht Efht fht fhc fhc bru bru2%
(MPa) (GPa) () (MPa) () (MPa) (MPa)
（二一、）复复合合材材料料力力学学性性能能试试验验分分类类
按试验件/结构复杂性分为5个等级：
1、组分试验： 对纤维、基体性能进行评价。例如，密度，拉伸强度与拉伸模量。
2、单层级试验—— 选材、材料许用值等 对纤维和树脂共同的性能进行评价。关键的性能包括物理性能、力
学性能：单层（单向板）的拉伸、压缩以剪切强度与模量。 3、层压板级试验
（一）复合材料力学性能试验分类
1、夹层结构类材料选择试验——试验矩阵
（一）复合材料力学性能试验分类
2、预浸料类材料取证试验——材料许用值试验 §25.603
试验内容
0o（经向）拉伸 90o（纬向）拉伸 0o（经向）压缩强度 0o（经向）压缩模量 90o（纬向）压缩强度 90o（纬向）压缩模量 面内剪切模量及强度