第九章--复合材料的结构设计
复合材料的力学性能与结构设计
复合材料的力学性能与结构设计复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的材料，具有优异的力学性能和结构设计潜力。
在本文中，将探讨复合材料的力学性能以及如何进行结构设计。
一、复合材料的力学性能复合材料由于多种材料的组合，具有独特的力学性能。
以下将讨论复合材料在强度、刚度和韧性方面的性能。
1. 强度由于不同材料之间的协同作用，复合材料通常具有很高的强度。
这是由于各个组成材料的优点相互弥补，从而提高整体强度。
例如，纤维增强复合材料中的纤维可以提供很高的强度，而基体材料可以增加韧性。
2. 刚度复合材料具有很高的刚度，这是由于组成材料之间的相互作用。
纤维增强复合材料中的纤维可以提供很高的刚度，而基体材料可以提供弹性和柔韧性。
因此，复合材料在受力时可以保持其形状和结构的稳定性。
3. 韧性复合材料通常具有较高的韧性，这是由于材料的组合结构所致。
纤维增强复合材料中的纤维可以分散和吸收能量，从而提高材料的韧性。
相反，在单一材料中，这种能量分散效应很少出现。
二、复合材料的结构设计复合材料的结构设计是为了实现所需的力学性能和功能。
以下将介绍复合材料结构设计的关键因素。
1. 材料选择合理的材料选择是进行复合材料结构设计的关键因素。
不同材料具有不同的力学性能和化学特性，因此需要根据应用需求选择合适的材料组合。
例如，在需要高强度和刚度的应用中，可以选择纤维增强复合材料。
2. 界面控制复合材料中不同材料之间的界面是其力学性能的重要因素。
界面的控制可以通过界面处理和表面改性来实现。
例如，通过添加粘合剂或增加表面处理剂，可以增强纤维与基体之间的结合，提高界面的力学性能。
3. 结构设计结构设计是为了实现所需的功能和性能。
在复合材料结构设计中，需要考虑材料的排布方式、层压顺序和几何形状等因素。
通过合理设计复合材料的结构，可以充分发挥其力学性能，同时满足应用需求。
三、结论复合材料具有优异的力学性能和结构设计潜力。
通过合理选择材料、控制界面以及进行结构设计，可以充分发挥复合材料的力学性能。
复合材料整体结构设计一
客户需求多样化
不同客户对复合材料的需求不同， 企业需要充分了解客户的需求和 偏好，提供定制化的产品和服务。
价格压力
随着市场竞争的加剧，复合材料 的价格压力也越来越大，企业需 要不断降低成本和提高生产效率。
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定制化
随着个性化需求的增加，复 合材料的设计和制造将更加 注重定制化，满足不同客户 的需求。
技术挑战
制造工艺
复合材料的制造工艺比较复杂，需要精确控制各种工艺参数，以保证 最终产品的性能和质量。
材料性能
复合材料的性能受到多种因素的影响，如原材料的质量、制造工艺、 环境条件等，需要充分考虑这些因素对复合材料性能的影响。
的最佳性能。
材料兼容性
03
考虑不同材料之间的相容性和连接方式，确保结构的稳定性和
可靠性。
结构设计中的力学分析
静力学分析
对复合材料结构在静载荷作用下的应 力、应变进行分析，验证结构的强度 和稳定性。
动力学分析
对复合材料结构在动态载荷作用下的 振动、疲劳等进行分析，评估结构的 动态性能和可靠性。
热力学分析
05 复合材料的发展趋势与挑 战
发展趋势
高性能化
智能化
随着科技的不断进步，对复 合材料的性能要求也越来越 高，如强度、刚度、耐高温、 耐腐蚀等性能的提升。
随着物联网、传感器等技术 的发展，复合材料的设计和 制造过程将更加智能化，能 够实现实时监测和调控。
绿色环保
随着环保意识的提高，复合 材料的设计和制造过程将更 加注重环保，减少对环境的 污染。
对复合材料结构在温度变化下的热膨 胀、热传导等进行分析，考虑温度对 结构性能的影响。
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
复合材料结构课程设计
复合材料结构课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握复合材料的基本概念，了解其组成、分类及性能特点；2. 使学生了解复合材料结构的设计原理，掌握复合材料结构设计的基本方法；3. 帮助学生理解复合材料结构在工程领域的应用，了解其优势及局限性。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识进行复合材料结构设计的能力，能独立完成简单的复合材料结构设计任务；2. 提高学生运用专业软件进行复合材料结构分析、优化和仿真的技能；3. 培养学生团队合作精神，提高沟通协调能力，能就复合材料结构设计问题进行讨论和交流。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对复合材料结构设计的兴趣，培养其探索精神和创新意识；2. 培养学生关注工程实际，认识到复合材料结构设计在工程领域的重要作用；3. 引导学生关注环保、节能等可持续发展理念，树立正确的设计价值观。
课程性质：本课程为专业选修课，以理论教学为主，实践操作为辅。
学生特点：学生具备一定的材料科学和力学基础知识，对复合材料结构设计有一定了解，但对实际应用和设计方法掌握不足。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力，培养学生的创新意识和团队合作精神。
通过本课程的学习，使学生能够将所学知识应用于实际工程设计中，为未来从事相关工作打下坚实基础。
二、教学内容1. 复合材料基本概念：包括复合材料的定义、分类、组成及其性能特点，对应教材第一章内容。
- 复合材料的分类与组成- 复合材料的基本性能2. 复合材料结构设计原理：讲解复合材料结构设计的基本原理、方法及其在设计中的应用，对应教材第二章内容。
- 复合材料结构设计原理- 结构设计方法及流程3. 复合材料结构设计方法：介绍复合材料结构设计的相关技术和方法，包括结构优化、仿真等，对应教材第三章内容。
- 复合材料结构设计技术- 结构优化与仿真4. 复合材料结构应用案例分析：分析实际工程中复合材料结构的应用案例，了解其优势及局限性，对应教材第四章内容。
复合材料结构设计
§2.1 单层板的正轴刚度
二、基本知识 1、1-2坐标系
1向为纵向，即刚度较大的材料主方向； 2向为横向，即刚度较小的材料主方向。
§2.1 单层板的正轴刚度
二、基本知识 2、应力符号 正应力的符号：拉为正，压为负（与材料力学一致） 剪应力的符号：正面正向或负面负向为正，否则为负 （材料力学中的剪应力企图使单元体顺时针向转时为 正，逆时针向转时为负不同） 正面：指该面外法线方向与坐标轴方向一致的面，否 则称为负面； 正向：指应力方向与坐标方向一致的方向，相反时为 负向。
根据能量守恒原理可知，正的正应力或剪应力乘上对 应的正应变或剪应变一定是作正功。 举例：在只有σ1作用应力的条件下，其功 1/2 σ1ε1=1/2S11 σ12为正值。从而E1＝1/S11为正值。同样， 在只有ε1应变的条件下，其功1/2 σ1ε1=1/2Q11 ε12应为正 值上，所以Q11为正值。 E1 , E 2 , G12 0 同理可得：
(二)模量分量
①意义（定义）
Q11 ME1 , Q22 ME2 , Q66 G12 , Q12 M 2 E1 , Q21 M 1 E 2 Q16 Q61 Q26 Q62 0
(二)模量分量
应力－应变关系式（用模量分量表示）
1 Q11 2 Q 21 Q 12 61 Q12 Q 22 Q 62 Q16 1 Q11 Q 26 2 Q 21 Q66 12 0 Q12 Q 22 0 0 1 0 2 Q66 12
§1.4 复合材料的应用和发展
1、发展简史 2、现状 链接： /b/189741 1-1275526951.html
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
复合材料的组成及作用基体
层状陶瓷复合材料断口形貌
三明治复
双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 层状结构材料根据材质不同，分别用于飞机制造 、运输及包装等。
有TiN涂层的高尔夫球头
层状复合
铝合金蜂窝夹层板
9.3 复合材料的成型工艺
复合材料成型工艺是复合材料工业的发展基础 和条件。随着复合材料应用领域的拓宽，复合 材料工业得到迅速发镇，其老的成型工艺日臻 完善，新的成型方法不断涌现，目前聚合物基 复合材料的成型方法已有20多种，并成功地 用于工业生产.
2 复合材料的特点
A 组成与结构特点 （1）具有可设计性 （2）组元间有明显界面或 呈梯度变化的多相材料； （3）性能取决于各组分性 能及协同效应。 B 性能特点 比强度高
抗疲劳性能好
耐磨减磨性能高 减震能力强 高温性能好 化学稳定性高
成型工艺简单灵活
复合材料性能不足之处
1、横向拉伸强度和层间剪切强度低。 2、断裂伸长率低，冲击韧性有时不好。 3、制造时产品性能不稳定，分散性大，质 检困难。 4、抗老化性能不好。 5、机械连接困难。 6、成本太高。
9.4 复合材料在设计中的应用
聚合物基纤维增强复合材料 通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料 。 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提 高，比强度也高得多。
材料种类
环氧树脂 环氧树脂 / E级玻璃纤维
纵向抗拉强 度 MPa
69 1020
纵向弹性模 量 GPa
6.9 45
环氧树脂 / 碳纤维（高弹性） 环氧树脂 / 芳纶纤维（49）
3 复合材料分类
按组成分 ①金属与金属复合材料 ②非金属与金属复合材料 ③非金属与非金属复合材料 按结构特点： ①纤维复合材料 ②夹层复合材料 ③细粒复合材料 ④混杂复合材料
第九章 耐高温聚合物及其复合材料
硅树脂的结构与性能
甲基硅树脂 甲基苯基硅树脂 全苯基梯形聚合物 改性有机硅树脂 倍半硅氧烷及其复合材料
结构式: (RSiO1.5) 三维尺寸 1.5nm 是一种新型的有机－无机杂化材料
耐温高性能化环氧
国外生产商：Shell、Dow、Ciba
改性途径： 含芳杂环结构的环氧树脂 液晶环氧化合物 纳米粒子环氧树脂复合材料 有机硅共聚改性
● 耐高温聚合物及其复合材料的应用
航空航天－－以固体火箭开始、为主 常规武器 汽车工业
前言
● 我国在高性能树脂及其复合材料方面存在的问题
应用范围窄、用量小 性能普遍偏低，高性能材料研究少
● 高性能树脂及其复合材料的研究焦点：
解决纤维在树脂基体中的分布和界面问题 固化过程的控制：控制诱导结晶、降低内应力 提高损伤容限 协调耐热性与加工成型之间的矛盾
● 纯的硅树脂：甲基硅树脂、苯基、MQ、乙烯基 改性硅树脂：有机硅聚酯、有机硅环氧
O Si O Si O Si
O
R R
O
Si O Si O Si
O
O
R
Si
● 硅树脂的制备：甲基硅树脂
甲基氯硅烷（硅氧烷）－－水解－－交联（调整R/Si）
● 应用： 耐高温绝缘漆：线圈浸渍、云母粘接、玻璃布粘接 有机硅涂料：耐高温（200～300℃、540℃、900℃，耐候、耐磨 胶粘剂：耐高低温，压敏胶
● 配方：基胶：
R2
R2
填料：SiO2, CaCO3, TiO2, 石英粉，硅藻理
● 应用： 建筑工业：公路接缝、水库、房屋墙面、玻璃、浴缸 电子：电子元件灌封 汽车：灯的密封 医疗：整形、牙模
硅树脂
O
以-Si-O-Si-为主链，Si上连接有机基、 具有高度交联结构的半无机聚合物
航空制造中的复合材料结构设计与加工技术
航空制造中的复合材料结构设计与加工技术航空工业是现代制造业的重要组成部分之一，而航空工业中涉及到的复合材料结构设计与加工技术也是非常重要的。
由于复合材料具有轻质化、高强度、耐腐蚀等优点，因此在航空领域得到了广泛应用。
本文将探讨航空制造中的复合材料结构设计与加工技术。
一、复合材料的结构设计复合材料的结构设计是指在各种工况下，保证复合材料具有良好的力学性能及综合性能的设计过程。
一般来说，复合材料的结构设计包括以下几个方面：1. 材料选用：在复合材料的结构设计中，首先需要根据设计要求选择适合的复合材料。
对于不同的使用场景和工作条件，需要选择不同种类、不同性能的复合材料。
同时，还需要综合考虑价格、环保等因素。
2. 结构设计：在选择好材料后，需要根据力学原理和结构设计原则进行复合材料结构设计。
结构设计中需要考虑的因素包括结构形式、尺寸、加工工艺、连接方式等。
3. 强度计算：在复合材料的结构设计中，需要对结构进行强度计算。
强度计算可以验证设计的可行性，并且为制造提供有力的依据。
二、复合材料的加工技术复合材料的加工技术是指在设计好复合材料结构后，将结构设计转化为实际产品的制造方法。
复合材料的制造方法主要包括以下几个方面：1. 纤维制备：复合材料的强度主要来自于纤维，因此纤维制备是制造复合材料的关键步骤。
纤维制备包括纤维拉伸、纤维编织、纤维堆积等工艺。
2. 预浸材料制备：纤维和树脂等成型材料在制备过程中需要预先混合，形成预浸材料。
预浸材料的制备包括振实法、滚涂法、吸附法等多种工艺。
3. 复合材料成型：经过纤维制备和预浸材料制备，需要对复合材料进行成型。
成型方法包括压缩成型、注塑成型、自动层压成型等多种工艺。
4. 热固化处理：复合材料成型后需要进行热固化处理，固化可使材料形成更强的化学结构和力学性能，包括热处理、贴合处理等。
5. 切割与修整：复合材料在制造过程中需要切割和修整成型。
切割和修整主要包括机械切割、手工修整、电火花切割等工艺。
复合材料结构设计
复合材料结构设计复合材料是由两种或两种以上的不同材料组成的一种新型材料，具有优良的综合性能，在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域有着广泛的应用。
复合材料结构设计是指在满足特定工程要求的前提下，通过合理的结构设计，使得复合材料结构在使用过程中能够充分发挥其优越性能，提高材料的使用寿命和安全性。
首先，复合材料结构设计需要充分考虑材料的力学性能。
复合材料由于其不同材料的组合，具有优异的强度、刚度和耐热性能，因此在结构设计中需要充分考虑材料的受力情况，合理确定材料的受力方向和受力面积，以确保结构在承受外部载荷时不会发生破坏。
同时，还需要考虑材料的疲劳寿命和耐久性，通过合理的结构设计和材料选择，延长结构的使用寿命，提高结构的可靠性。
其次，复合材料结构设计需要考虑材料的成型工艺。
复合材料的成型工艺对其性能和结构具有重要影响，因此在结构设计中需要充分考虑材料的成型工艺，合理确定结构的形状和尺寸，以便于实现成型工艺要求。
同时，还需要考虑成型工艺对材料性能的影响，通过合理的结构设计和成型工艺选择，确保材料在成型过程中不会发生损伤和变形，保证结构的质量和稳定性。
最后，复合材料结构设计需要考虑结构的整体性能。
复合材料结构是由多个材料组成的复合结构，因此在结构设计中需要充分考虑不同材料之间的协同作用，合理确定材料的组合方式和连接方式，以确保整体结构具有良好的整体性能。
同时，还需要考虑结构在使用过程中的热胀冷缩、振动和冲击等外部环境因素对结构的影响，通过合理的结构设计和材料选择，提高结构的抗热、抗振和抗冲击能力，确保结构在复杂的使用环境下能够稳定可靠地工作。
综上所述，复合材料结构设计是一个综合性的工程问题，需要充分考虑材料的力学性能、成型工艺和结构的整体性能，通过合理的结构设计和材料选择，使得复合材料结构能够充分发挥其优越性能，提高结构的使用寿命和安全性。
希望本文能够对复合材料结构设计有所帮助，谢谢阅读！。
复合材料及其结构的力学、设计、应用和评价
文章标题：深度剖析复合材料及其结构的力学、设计、应用和评价一、引言复合材料作为一种具有优异性能的新型材料，在工程领域中得到了广泛的应用。
复合材料的力学特性、结构设计、应用领域和评价标准是复合材料研究的重要内容。
本文将从深度和广度两个方面来探讨复合材料及其结构的力学、设计、应用和评价，以帮助读者全面了解这一主题。
二、复合材料的力学特性1.1 引言复合材料的力学特性是指复合材料在受力作用下的力学行为，包括抗拉、抗压、屈服等特性。
1.2 弹性模量和强度复合材料的弹性模量是衡量其刚度的重要参数，而强度则是衡量其承载能力的重要指标。
复合材料的弹性模量和强度与其结构设计和材料组成密切相关，需要根据实际应用来评价。
1.3 疲劳特性复合材料具有疲劳寿命有限的特点，其疲劳特性是指在受到交变载荷下，复合材料的力学性能变化规律。
评价复合材料的疲劳特性对于其在实际工程中的应用具有重要意义。
1.4 断裂韧性复合材料的断裂韧性是指其在受到外部冲击或载荷作用下耐受破坏的能力，是衡量复合材料抗拉伸、抗压、抗扭转能力的重要参数。
三、复合材料的结构设计2.1 纤维增强复合材料纤维增强复合材料是指将纤维材料与基体材料结合形成复合结构的材料。
纤维增强复合材料的结构设计是根据不同的应用场景和受力条件进行优化的重要环节。
2.2 层合板结构设计层合板是一种典型的复合材料结构，在航空航天、汽车制造等领域得到广泛应用。
其结构设计需要考虑到不同材料层间的粘结、层间应力分布等因素。
2.3 复合材料复合结构设计复合材料的复合结构设计是指在复合材料的基础上，结合其他材料或结构进行设计，以满足特定工程需求。
四、复合材料的应用领域3.1 航空航天领域复合材料在航空航天领域中得到了广泛的应用，例如飞机机身、发动机零部件等都采用了复合材料的结构设计。
3.2 汽车制造领域汽车制造领域是复合材料的另一个重要应用领域，车身、发动机罩等部件都在不同程度上采用了复合材料。
《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。
复合材料的力学性能与结构设计
复合材料的力学性能与结构设计在现代工程领域中，复合材料凭借其卓越的性能逐渐成为众多应用中的首选材料。
复合材料并非单一的物质，而是由两种或两种以上具有不同物理和化学性质的材料组合而成，其力学性能和结构设计的研究对于推动工程技术的发展具有至关重要的意义。
复合材料的力学性能表现出独特的优势。
首先，其强度通常高于传统单一材料。
这是因为不同组成材料在受力时能够相互协同，共同承担载荷，从而提高整体的强度水平。
例如，碳纤维增强复合材料在航空航天领域的应用，极大地减轻了飞行器的重量，同时保证了结构的高强度要求。
其次，复合材料具有出色的刚度特性。
通过合理的纤维排布和基体选择，可以实现对刚度的精确调控，满足不同工程结构在不同方向上的刚度需求。
再者，复合材料的抗疲劳性能也十分优异。
在长期循环载荷作用下，其性能衰减相对较慢，延长了结构的使用寿命。
这使得复合材料在汽车、机械等领域得到广泛应用，如发动机部件、传动系统等。
然而，复合材料的力学性能并非完美无缺。
它具有各向异性的特点，即在不同方向上的力学性能存在差异。
这就给材料的设计和应用带来了一定的挑战。
此外，复合材料在制造过程中可能会引入缺陷，如孔隙、纤维分布不均匀等，这些缺陷会对力学性能产生不利影响。
为了充分发挥复合材料的优势，合理的结构设计至关重要。
结构设计需要综合考虑材料的力学性能、使用环境、制造工艺等多个因素。
在结构形式方面，常见的有层合结构、编织结构和夹层结构等。
层合结构通过将不同方向的纤维层叠合，可以实现特定方向上的高性能；编织结构则能够提高材料的整体性和抗冲击性能；夹层结构则结合了轻质的芯材和高强度的面板，在保证强度的同时减轻重量。
纤维增强方向的设计也是关键。
根据受力情况，合理确定纤维的排布方向，使纤维能够最大程度地承担载荷。
例如，在承受拉伸载荷的结构中，纤维应沿着拉伸方向布置，以提高抗拉强度。
此外，连接件的设计在复合材料结构中也不容忽视。
由于复合材料与传统金属材料的连接特性不同，需要采用特殊的连接方式和连接件，以确保连接部位的强度和可靠性。
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。
复合材料的成型工艺
第一节 复合材料简述
2.复合材料的特点
(1)比强度和比刚度高 (2)抗疲劳性好 (3)高温性能好 (4)减振性能好 (5)断裂安全性高 (6)可设计性好
第一节 复合材料简述
二、复合材料用原料
1.增强材料
3）基体能够很好地保护纤维表面，不产生表面 损伤、不产生裂纹。
第一节 复合材料简述
(2)增强材料是承载的主要部分，因而纤维必须具 有很高的强度和刚度。
(3)增强材料与基体有好的结合强度。 (4)在复合材料中纤维必须具有适当的含量、直径
和分布。 (5) 纤维和基体应有相近的热膨胀系数。
第一节 复合材料简述
2. 井喷沉积法(Spray Co-Deposition)
井喷沉积法是运用特殊的喷嘴，将液态金属 基体通过惰性气体气流的作用后雾化成细小的 液态金属流，将增强相颗粒加入到雾化的金属 流中，与金属液滴混合在一起并沉积在衬底上 ，凝固形成金属基复合材料的方法。
图9-５所示是采用井喷沉积法生产陶瓷颗粒 增强金属基复合材料的示意图。
复合材料的一种成型方法，如图9－6所示。 热压成型时，先将粉料与蜡或有机高分子粘结剂混合、加热，利用蜡类材料热熔冷固的特点，把粉料与熔化的蜡料等粘合剂迅速搅合
成具有流动性的料浆，然后将混合料加压注入模具，冷却凝固后成型，即可得致密的、较硬实的坯体。
二、喷射成型工艺(Spray Moulding) (2)液态法 液态法是指基体处于熔融状态下制造金属基复合材料的方法。
下压制成型。
树脂基复合材料(resin matrix composites-RMC)、金属基复合材料(metallic matrix composites -MMC)、陶瓷基复合材料(ceramic matrix
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
.
6
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
.
1
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
.
8
.
9
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
高中化学 第九章功能复合材料
利用共振效应，可以根据外来的工作 频率，改变复合材料固有频率而避免材料 在工作时引起的破坏。
对于吸波材料，同样可以根据外来波 长的频率特征，调整复合频率，达到吸收 外来波的目的。
27
系统效应
这是材料的一种复杂效应，至目前为 止，这一效应的机理尚不很清楚，但在实 际现象中已经发现这种效应的存在。
16
在玻璃纤维增强塑料中，当玻璃纤维表 面选用适宜的硅烷偶联剂处理后，与树脂基 体组成的复合材料，由于强化了界面的结合， 故致使材料的拉伸强度比未处理纤维组成的 复合材料可高出30--40%，而且湿态强度保 留率也明显提高。
17
但是，这种强结合的界面同时却导致 了复合材料冲击性能的降低。
因此，在金属基、陶瓷基增强复合材 料中，过强的界面结合不一定是最适宜的。
在碳纤维增强尼龙或聚丙烯中，由于碳 纤维表面对基体的诱导作用，致使界面上的 结晶状态与数量发生了改变，如出现横向穿 晶等，这种效应对尼龙或聚丙烯起着特殊的 作用。
25
共振效应
两个相邻的材料在一定条件下，会产生 机械的或电、磁的共振。
由不同材料组成的复合材料，其固有频 率不同于原组分的固有频率，当复合材料中 某一部位的结构发生变化时，复合材料的固 有频率也会发生改变。
18
相补效应和相抵效应常常是共同存在的。 显然，相补效应是希望得到的，而相抵 效应要尽量能够避免。 所有这些，可通过相应复合材料的设计 来加以实现。
19
相乘效应
两种具有转换效应的材料复合在一起， 即可发生相乘效应。
例如，把具有电磁效应的材料与具有 磁光效应的材料复合时，将可能产生具有 电光效应的复合材料。
20
因此，通常可以将一种具有两种性能相 互转换的功能材料X/Y和另一种换能材料Y/Z 复合起来，可用下列通式来表示，即：
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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
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
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。
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、结构鉴定、质量控制、工装模具的通 用性、设计经验
2.1 复合材料结构设计过程
性能要求 载荷情况 源材料选择 铺层性能确定 应力与变形 分析 失效分析
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) 。
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
- 파트너와의 협력은 전략적 자산 - Supply Chain를 활용한 경쟁 우위 확보
- 고객 정보, 고객 관계는 전략적 자산 - 다양한 채널을 통합한 고객 서비스 제공
复合材料的设计
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
结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全
结构性能要求
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
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。
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、
1.5～2
• 民用取上限，军事用途可取低些。
4. 结构设计应考虑的其他因素（P101）
复合材料结构设计除要考虑强度和刚度、稳定
性、连接接头设计等以外，还需考虑热应力、防
腐蚀、防雷击、抗冲击等因素。
原来材料设计的方法进行设计，以保证强度和刚
度。
②优点：可以减轻结构件的质量。
③缺点：对于受大载荷的承力构建不适合。
④设计注意事项：准各项同性和非准各项同性。见
表5-12.
5.2.3 结构设计（P98）
1. 结构设计的一般原则 （1）按使用载荷设计、按设计载荷校核； （2）使用载荷——使用许用值， 设计载荷——设计许用值； （3）复合材料失效准则只适用于单层； （4）无刚度要求，材料弹性常数的数据可采用试验 数据和平均值；有刚度要求则需要选取B基准值。
2. 结构设计应考虑的工艺性要求（P99） 工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性。 3. 许用值与安全系数的确定（P99-100） 许用值包括使用许用值和设计许用值。 结构设计中，在保证安全的条件下，应尽可能降 低安全系数。
设计值 = 安全系数×使用值
安全系数选取：
• 玻璃纤维
• 高强度纤维
2 ～3
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。
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
环境要求
形状限制 层合板设计
明确设计条件
典型构件分析
材料设计
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
（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。
载荷情况
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。 总成本最低时（即经济性最好）的可靠性为最合理。
力学条件：加速度、冲击、振动、声音等
环境条件
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
②均匀铺设：相邻层间角尽可能小，以防内应力过大。
③最小铺设比例>6～10%。
④边缘包层。
冲击载荷
⑤冲击载荷区以0º 层承载，
±45º 层分散应力均衡负荷。 ⑥厚度变化区以阶梯过渡。
0º
±45º
主承载
分散应力
2）等代设计法（P96）：
①概念：在载荷和使用环境不变的条件下，用相同
形状的复合材料层合板来代替其他材料，并使用
Gm c 1Vf
V f E f Em 3(1 V f )
取计算结果小者
最后以实验校核为准。
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。
0∘
0/90∘
⊥45∘
0/+45/90/-45∘
1）铺设技术要点和原则（P96）：
①对称铺设：与主应力方向、厚度中心对称。
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
（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。
确定产品结构的形状和尺寸 结构设计 铺层设计 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
单层材料设计
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 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。
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
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）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 c mmax Vm
纤维量多，取决于纤维 纤维量少，取决于基体
纵向压缩强度
c 2V f