复合材料结构设计、分析与力学性能测试

S-glass 204
E-glass 204
拉伸强度 （GPa） 3.53 4.90 3.62 4.14 2.76
拉伸模量 （GPa） 221 230 152 86 73
纤维直径 （µm） 7 7 12 9.1 9.1
密度 （g/cm3） 1.77 1.80 1.46 2.48 2.48
一、复合材料结构设计流程
多向层合板的比强度和比刚度要比单向板 低30%~50%。
一、复合材料结构设计流程
典型纤维的比强度比刚度
类型
密度
拉伸强度 拉伸模量 比强度
（g/cm3） （GPa） （GPa）
T300
1.77
3.53
221
1.99
T700
1.80
4.90
230
2.72
Kevlar49
1.46
3.62
152
2.47
一、复合材料结构设计流程
② 纤维选择
✓ 要求好的低温工作性能： 选用低温下不脆化的碳纤维。
✓ 要求尺寸不随温度变化： 选用凯芙拉或碳纤维。
✓ 要求较高的强度和刚度： 选用比强度、比刚度均较高的碳纤维。
一、复合材料结构设计流程
典型纤维的性能
类型
丝数
T300
3k
T700
12k
Kevlar49 580
一、复合材料结构设计流程
设计分析制造一体化
在材料设计和结构设计中都涉及到应变、 应力与变形分析、失效分析，以确保结构的 强度和刚度。
复合材料结构往往是材料与结构一次成 型的，且材料也具有可设计性。
一、复合材料结构设计流程
1、设计条件
① 结构性能要求 ② 载荷情况 ③ 环境条件 ④ 结构的可靠性与经济性
一、复合材料结构设计流程
✓ 低成本、高效益原则
低成本高效益原则
材料ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ本
初期成本
制造成本
维修成本
一、复合材料结构设计流程
② 纤维选择
✓ 结构要求有良好的透波、吸波性能： 选E或S玻璃纤维、凯芙拉纤维、氧化铝纤 维。
✓ 要求高的刚度： 选用高模量的碳或硼纤维。
✓ 要求高的抗冲击性能： 选用玻璃纤维、凯芙拉纤维。
S-glass
2.54
4.14
86
1.70
E-glass
2.54
2.76
73
1.13
比模量
124.9 127.8 104.1 34.68 29.43
一、复合材料结构设计流程
✓ 材料与结构的使用环境相适应原则
材料的主要性能在结构的整个使用环境条 件下，降幅值小于10%。 树脂基复合材料温度和湿度对性能的 影响较大，通过改进或选用合适的基体达 到与使用环境相适应。
✓ 满足结构特殊性能要求的原则
如飞机雷达罩透波性要求，隐身飞机
吸波性要求等。
一、复合材料结构设计流程
✓ 满足工艺性要求的原则
预浸料工艺性：挥发物含量、预浸料储存 期等参数。
固化成型工艺性：加压时间、固化温度、 压力等。
机加装配工艺性。 修补工艺性：已固化与未固化复合材料通
过胶粘剂粘接的能力。
③ 树脂的选择
✓ 各种牌号的环氧树脂和聚酯树脂 特点：较高的力学性能但工作温度较低
（-140℃~130℃），工艺性能好，成本低。 ✓ 对需耐高温的复合材料
用聚酰亚胺做基体材料，长期工作温度200250℃，短期工作温度可达350-400℃。
一、复合材料结构设计流程
④ 铺层性能确定
✓ 单层树脂含量的选择 ✓ 刚度的预测 ✓ 强度的预测
复合材料结构设计、分析 与力学性能测试
主要内容
一、复合材料结构设计 二、复合材料分析与优化 三、复合材料力学性能测试与表征
一、复合材料结构设计流程
1、明确设计条件： 性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制 等。
2、材料设计： 原材料选择、铺层性能确定、层合板设计等。
3、结构设计： 复合材料层合板设计、结构典型特征的设计、 夹芯结构设计、复合材料接头设计等。
一、复合材料结构设计流程
④ 结构的可靠性与经济性
✓ 结构设计的合理性表现在可靠性和经济性 两方面。
提高可靠性就会增加初期成本； 维修成本随可靠性增加而降低； 总成本最低时经济性最好，可靠性最合理。
一、复合材料结构设计流程
2、材料设计
① 原材料的选择原则 ② 纤维选择 ③ 树脂的选择 ④ 铺层性能确定
一、复合材料结构设计流程
① 结构性能要求
✓ 结构所能承受的各种载荷； ✓ 提供装置各种附件的空间，对结构形状和
尺寸的限制； ✓ 隔绝外界的环境状态而保护内部物体。
一、复合材料结构设计流程
② 载荷情况
✓ 静载荷：是指载荷缓慢地由零增加到某一 定数值后就保持不变或变动不显著的载荷；
✓ 动载荷：是指能使构件产生较大的加速度， 且不能忽略由此而产生的惯性力的载荷。
一、复合材料结构设计流程
① 原材料的选择原则
✓ 比强度、比刚度高 ✓ 材料与结构的使用环境相适应 ✓ 满足结构特殊性能的要求 ✓ 满足工艺性要求 ✓ 低成本、高效益
一、复合材料结构设计流程
✓ 比强度、比刚度高
比强度是指单向板纤维方向的强度与材料 密度之比。
比刚度是指单向板纤维方向的刚度与材料 密度之比。
复合材料的基本结构形式
复合材料零部件的设计和制造是一个材料构 成和成型的并行过程。设计人员除对结构件 进行形状设计外还需进行材料设计。材料设 计包括原材料的选取和纤维取向及连续性状 态的安排。
原材料选择一般可采用以下几种方式：一种 是根据结构设计要求直接选取增强材料和基 体材料的种类和规格；另一种是根据结构设 计要求选取定型的、商品化的预浸料；或者 是两种方式混合使用。
一、复合材料结构设计流程
✓ 单层树脂含量的选择原则
由承力性质或使用功能确定
单层的功能 主要承受拉伸、压缩、弯曲载荷 主要承受剪切载荷 用在受力构件的修补 用在外表层防机械损伤和大气老化 用在防腐蚀
气象和大气条件主要影响结构的腐蚀、 磨损、老化等，与材料的理化性能有关。
一、复合材料结构设计流程
④ 结构的可靠性与经济性
✓ 可靠性指结构在所规定的使用寿命内，在 给予的载荷和环境条件下，充分实现所预 期的性能时结构正常工作的能力。
✓ 用一种概率来度量称为结构的可靠度。 结构静强度可靠性； 结构疲劳强度可靠性。
动载荷分为： 瞬时作用载荷、冲击载荷、交变载荷。
动载荷作用下所产生的应力称为动应力。
一、复合材料结构设计流程
③ 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：放射性、盐雾、风砂等。
其中，力学和物理条件主要影响结构的 强度和刚度，与材料的力学性能有关；