复合材料课件-第4章-复合材料设计原理.ppt

1、第第4章章 复合材料复合材料设计原理设计原理4.1 复合材料的可设计性复合材料的可设计性复杂性复杂性灵活性刚度刚度强度强度制造工制造工艺艺（1）各向异性）各向异性 正交各向异性正交各向异性 纵向（纵向（L）横向（横向（T）各向同性材料工程弹性常数：各向同性材料工程弹性常数：E、(G)正交各向异性正交各向异性工程弹性常数：工程弹性常数：TLTLLTEEG、性能是一点方向的函数性能是一点方向的函数u 复合材料力学性能特点复合材料力学性能特点（2）非均质性）非均质性性能是位置的函数性能是位置的函数各向异性和非均质性导致各向异性和非均质性导致耦合变形耦合变形和高温固化和高温固化翘曲变形翘曲变形非均质性

2、还将构成复合材料力学性能的其它一些特性非均质性还将构成复合材料力学性能的其它一些特性拉弯耦合拉弯耦合 拉剪耦合拉剪耦合变形复杂性耦合变形变形复杂性耦合变形弯扭耦合弯扭耦合各向同性材料强度指标各向同性材料强度指标1个：个：（塑性材料）（塑性材料）（脆性材料）（脆性材料）正交各向异性正交各向异性强度指标强度指标5个：个：ctctXXYYS、S b 屈服强度极限强度（3）层间强度低）层间强度低bh312bhEIE3312112 24 12bhbhEIEIEIE24.1.2 4.1.2 复合效应复合效应 一次函数一次函数y=kx+b 叫线性函数叫线性函数,它的图象是它的图象是一条直线一条直线。非一次函

3、数非一次函数(如如y=x2,y=k/x,y=sinx.).)都叫非线性函数都叫非线性函数,它们它们的图象都的图象都不是直线不是直线。线性指量与量之线性指量与量之间成间成关系关系非线性指量与量非线性指量与量之间成之间成关系关系 线性效应线性效应 非线性效应非线性效应 不同复合效应的类别不同复合效应的类别线性效应线性效应非线性效应非线性效应平均效应平均效应相乘效应相乘效应平行效应平行效应诱导效应诱导效应相补效应相补效应共振效应共振效应相抵效应相抵效应系统效应系统效应串联模型并联模型基体增强体是复合材料所显示的最典是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。型的一种复合效应。4.1.2.1 4.1.2.

4、1 平均效应平均效应cmVm+fVfEc=EmVm+EfVfKcKc材料性能；材料性能；ViVi为组分材料的体积分数；为组分材料的体积分数；c c复合材料；复合材料；m m基体；基体；f f增强体（功能体）增强体（功能体）Kc=KiVi（并联模型）1/Kc=Vi/Ki（串联模型）Knc=KniVi复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的性复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的性质，既无制约，也无补偿。质，既无制约，也无补偿。玻璃纤维增强环氧树脂复合材料玻璃纤维增强环氧树脂复合材料与与环氧树脂的环氧树脂的耐腐蚀性能基本相当耐腐蚀性能基本相当4.1.2.2 4.1.2.2 平行效应平行效应组

5、成复合材料的基体与增强体，在性能上互补，组成复合材料的基体与增强体，在性能上互补，弥补各自的缺点，从而提高了综合性能。弥补各自的缺点，从而提高了综合性能。4.1.2.3 4.1.2.3 相补效应相补效应适宜的结合适宜的结合脆性的高强度脆性的高强度纤维增强体纤维增强体韧性基体韧性基体基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。4.1.2.4 4.1.2.4 相抵效应相抵效应脆性断裂脆性断裂 界面结合很强界面结合很强脆性的纤维脆性的纤维脆性脆性陶瓷陶瓷基体

6、基体（X/Y）（Y/Z）X/Z 两种具有转换功能的组分复合两种具有转换功能的组分复合在一起，有可能产生新的功能。在一起，有可能产生新的功能。4.1.2.2 非线性效应非线性效应（1）相乘效应）相乘效应表表4-1 4-1 复合材料的乘积效应复合材料的乘积效应A A相性质相性质 X/YX/YB B相性质相性质 Y/ZY/Z复合后的乘积性质复合后的乘积性质 X/Z X/Z压磁效应压磁效应磁阻效应磁阻效应压敏电阻效应压敏电阻效应压磁效应压磁效应磁电效应磁电效应压电效应压电效应压电效应压电效应场致发光效应场致发光效应压力发光效应压力发光效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应压阻效应压阻效应磁阻效应磁阻效应光电效应

7、光电效应电致效应电致效应光致伸缩光致伸缩热电效应热电效应电致发光效应电致发光效应红外光转换可见光效应红外光转换可见光效应热致变形效应热致变形效应压敏电阻效应压敏电阻效应热敏电阻效应热敏电阻效应复合复合 石墨粉石墨粉高聚物高聚物变形变形-电电阻效应阻效应热致变形热致变形自控发热体自控发热体在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。（2）诱导效应）诱导效应例如：例如：结晶的纤维增强体对非晶结晶的纤维增强体对非晶基体的基体的诱导结晶

8、诱导结晶或基体的晶形取或基体的晶形取向作用。向作用。2021涤纶纤维增强聚丙烯复合材料涤纶纤维增强聚丙烯复合材料横晶横晶球晶球晶（3）系统效应）系统效应 红红、黄黄、蓝蓝三色组成的彩色世界三色组成的彩色世界 涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和指将不具备某种性能的诸组分通过特定的复合状态复指将不具备某种性能的诸组分通过特定的复合状态复合后，使复合材料具有单个组分不具有的合后，使复合材料具有单个组分不具有的新性能新性能。它是指某一组分它是指某一组分A A具有一系列性能，与另一组分具有一系列性能，与另一组分B B复合后，能使复合后，能使A A组分的大多数性能受到较大抑制

9、，而使其中组分的大多数性能受到较大抑制，而使其中某一项性能某一项性能在复在复合材料中合材料中突出突出地发挥。又称地发挥。又称强选择效应强选择效应。（4）共振效应）共振效应利用这种效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固利用这种效应，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，调制复合材料频率，达到样可以根据外来波长的频率特征，调制复合材料频率，达到吸收外来波的目的。吸收外来波的目的。例如，有关领域例如，有关领域要求导电而不导热要求导电而不导热的材料，就是通的材料，

10、就是通过选择组元和复合状态，在保留导体组元导电性的过选择组元和复合状态，在保留导体组元导电性的同时，同时，抑制其导热性抑制其导热性而获得的特殊功能材料。而获得的特殊功能材料。共振效应在共振效应在阻尼减振和电磁波吸收复合材料阻尼减振和电磁波吸收复合材料的研究的研究和设计中获得利用。和设计中获得利用。4.2 4.2 材料的设计目标和设计类型材料的设计目标和设计类型4.2.1 4.2.1 材料的使用性能和设计目标材料的使用性能和设计目标力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能性能要求性能要求约束条件约束条件4.2.2 4.2.2 复合材料的设计类型复合材料的设计类型安全设计安全设计单项性能设

11、计单项性能设计等强度设计等强度设计等刚度设计等刚度设计优化设计优化设计u复合材料是一种结构材料复合材料是一种结构材料一次结构一次结构二次结构二次结构三次结构三次结构复合材料设计的基本步骤复合材料设计的基本步骤以确保结构的以确保结构的强度与刚度强度与刚度破坏过程损伤机理强度准则损伤及破坏分析温度场等应力场复合材料的响应设计变量的优化典型结构的宏观性能法试验力学方法代表性单元的性能考察细观力学方法有限元方法荷成型工艺及工艺过程优化的设计料几何形状选材要求基体材料增强材料潮湿环境热载荷机械载荷对外部环境与载荷的要求（1）明确设计条件明确设计条件：性能要求性能要求，载荷要求载荷要求，环境条件环境条件，

12、形状限制形状限制等。等。（2）材料设计：材料设计：原材料选择原材料选择，铺层性能确定铺层性能确定，复合复合 材料层合板的设计。材料层合板的设计。（3）结构设计结构设计:典型结构件（杆、梁、板、壳）的设典型结构件（杆、梁、板、壳）的设计等计等，以及复合材料，以及复合材料（衍梁、钢架）衍梁、钢架）的设计。的设计。结构设计的步骤：结构设计的步骤：结构所能承受的各种载荷，确保使用期内的安全结构所能承受的各种载荷，确保使用期内的安全对结构形状和尺寸的限制，提供附件的空间对结构形状和尺寸的限制，提供附件的空间 隔绝外界的环境状态而保护内部物体隔绝外界的环境状态而保护内部物体2.2.复合材料结构设计条件复合

13、材料结构设计条件（1 1）性能要求）性能要求结构的性能结构的性能飞机火箭、船飞机火箭、船舶、车辆舶、车辆结构质量结构质量化工装置化工装置耐腐蚀性耐腐蚀性雷达罩、天雷达罩、天线线电磁性能电磁性能防雷击防雷击飞行器飞行器例如，风扇叶片由于旋转式的惯性力将引起拉应力例如，风扇叶片由于旋转式的惯性力将引起拉应力（2 2）载荷情况）载荷情况静载荷动动载载荷荷l瞬时作用载荷瞬时作用载荷l冲击载荷冲击载荷l交变载荷交变载荷在在静载荷静载荷作用下结构应具有足够的作用下结构应具有足够的强度和强度和刚度刚度；在在冲击载荷冲击载荷下要求结构有一定的下要求结构有一定的韧性韧性；交变载荷交变载荷下要求结构有下要求结构有

14、耐疲劳性能耐疲劳性能。a力学条件力学条件：加速度、冲击、振动、声音等：加速度、冲击、振动、声音等b物理条件物理条件：压力、温度、湿度等：压力、温度、湿度等c气象条件气象条件：风雨、冰雹、日光等：风雨、冰雹、日光等d大气条件大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等：放射线、霉菌、盐雾、风沙等（3 3）环境条件环境条件影响结构的强度和刚度影响结构的影响结构的腐蚀、磨损、腐蚀、磨损、老化等老化等（4 4）结构的可靠性和经济性）结构的可靠性和经济性可靠性可靠性是指是指结构在所规定的使用寿命内，在给予的载荷结构在所规定的使用寿命内，在给予的载荷情况和环境条件下，充分实现所预期的性能时结构情况和环境条件下，充

15、分实现所预期的性能时结构正常正常工作的能力工作的能力，这种能力用一种概率来度量称为，这种能力用一种概率来度量称为可靠度可靠度。结构静强度可靠性结构静强度可靠性和和结构疲劳寿命可靠性。结构疲劳寿命可靠性。成本可靠性总成本初期成本维修成本总成本最低时的可靠性最为合理结构设计的合理性最终主要表现在可靠性和经济性两方面4.3.3 4.3.3 材料设计材料设计 原材料选择原材料选择 单层性能的确定单层性能的确定 层合板设计层合板设计4.3.3.14.3.3.1原材料选择原则原材料选择原则 比强度、比刚度高的原则比强度、比刚度高的原则 材料材料与结构的使用环境相适应的原则与结构的使用环境相适应的原则 满足

16、结构的满足结构的特殊性能要求特殊性能要求的原则的原则 满足满足工艺性工艺性要求的原则要求的原则 性价比高性价比高的原则的原则结构结构透波、吸波透波、吸波结构的结构的高刚度高刚度结构有结构有高的抗冲击性高的抗冲击性结构结构低温工作性能低温工作性能结构结构尺寸稳定性尺寸稳定性既既高强度又刚度高强度又刚度4.3.3.2 纤维选择E E或或S S玻璃纤维、开芙拉纤维、氧化玻璃纤维、开芙拉纤维、氧化铝纤维铝纤维高模量碳纤维或硼纤维高模量碳纤维或硼纤维玻璃纤维或开芙拉纤维玻璃纤维或开芙拉纤维碳纤维碳纤维开芙拉纤维开芙拉纤维或或碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维或或硼纤维硼纤维u按比强度、比刚度和性价比选取各种丝纤维

17、的比强度、比刚度、性价比和断裂伸长率E E玻璃玻璃纤维纤维S S玻璃玻璃纤维纤维芳纶纤芳纶纤维维4949氧化铝氧化铝纤维纤维硼纤维硼纤维碳化硅碳化硅纤维纤维碳纤维碳纤维T300T300碳纤维碳纤维T000T000比强度比强度0.670.671.041.041.91.90.350.351.641.640.980.981.741.743.93.9比模量比模量29.629.632.132.185.585.597.497.4161161135135130130162162强度价格强度价格比比-0.220.220.110.110.0070.0070.0130.0130.0150.0150.1530.15

18、3-模量价格模量价格比比-6.676.674.964.961.91.92.02.02.132.138.518.51-断裂应变断裂应变%2.432.433.253.252.232.230.360.360.880.880.730.731.331.332.42.44.3.3.3 基体选择 按使用环境条件选材按使用环境条件选材 按照所要求的性能选材按照所要求的性能选材 按制品的受力类型和作用方式选材按制品的受力类型和作用方式选材 按使用对象选材按使用对象选材 按用途分类选材按用途分类选材2.2.单层性能的确定单层性能的确定单层的刚度单层的刚度单层的强度单层的强度单层的三维应力应变关系单层的三维应力应变

19、关系正轴刚度正轴刚度偏轴刚度偏轴刚度弹性对称面1、2、3主方向u单层树脂含量的确定单层树脂含量的确定mmffffMMMV Mf分别为纤维、树脂的质量百分比；f,，m分别为纤维、树脂密度 Vf纤维体积含量 一般来讲纤维体积份数在一般来讲纤维体积份数在0.4-0.70.4-0.7 Vf太小，达不到增强基体的效果，反而因纤维的存在和断裂消弱了基体的强度 Vf太大，超过0.785后，对正方点阵排列纤维来说，彼此接触，对随机排列来说纤维密集，基体的粘结作用变得很差，材料脆性增大，断裂韧性明显下降单向排布连续纤维增强复合材料u单层板的刚度单层板的刚度工程弹性常数工程弹性常数预测公式预测公式说明说明纵向弹性

20、模量纵向弹性模量EL=EfVf+Em（1-Vf）此式基本上符合试验测定值此式基本上符合试验测定值横向弹性模量横向弹性模量ET=Ef Em/Em Vf+Ef（1-Vf）修正公式修正公式：1/E1/ET T=V=Vf f/E/Ef f+V Vm m/E/Em m V Vf f =V=Vf f/（V Vf f+f f V Vm m）,V,Vm m=T T V Vm m/（V Vf f+T TV Vm m）纵向泊松比纵向泊松比 L=f Vf+m（1-Vf）此式基本上符合试验测定值此式基本上符合试验测定值横向泊松比横向泊松比 T=L ET/EL此式为工程弹性常数之间的关系此式为工程弹性常数之间的关系式式

21、面内剪切弹性面内剪切弹性模量模量GLT=Gm Gf/Gm Vf+Gf（1-Vf）修正公式：修正公式：1/G1/GTLTL=V Vf f/G Gf f+V Vm m/G/Gm m V Vf f =V Vf f /（V Vf f+LTLT V Vm m）,V Vm m=LTLT V Vm m /（V Vf f+LTLT V Vm m）值由试验确定，对玻璃值由试验确定，对玻璃/环环氧氧 可取可取 0.50.5。)1(1111fmffmmffLmmffmmffLLLmmffLmmffVEVEVEVEEAAVAAVAAEAAEEEAAAPEELL纤维1121LL基体基体刚度的材料力学分析方法刚度的材料力

22、学分析方法E EL L的确定：的确定：混合率表达式与试验的吻合程度80-90%并联模型刚度的材料力学分析方法刚度的材料力学分析方法mffmmfTmmffTTmmffmmffmmffEVEVEEEEVEVEEEVEVWVWVWEE2222222222纤维221基体基体2WET的确定：串联模型与试验值相比，较小，由于纤维随机排列，兼有串联和并联的成分正交层的工程弹性常数公式正交层的工程弹性常数公式工程弹性常数工程弹性常数预测公式预测公式说明说明纵向弹性模量纵向弹性模量EL=k EL1 nL/(nL+nT)+ET2 nT/(nL+nT)将正交层看作两层单向层将正交层看作两层单向层的组合，即经线和纬线

23、分的组合，即经线和纬线分别作为单向层的组合。由别作为单向层的组合。由于织物不平直使计算值大于织物不平直使计算值大于实测值，故而采用小于于实测值，故而采用小于1 1的折减系数，称为波纹的折减系数，称为波纹影响系数影响系数横向弹性模量横向弹性模量ET=k EL2 nL/(nL+nT)+ET1 nT/(nL+nT)说明同上说明同上纵向泊松比纵向泊松比 L=L1 ET1(nL+nT)/(nL ET1+nT EL2)将正交层看作两层单向层将正交层看作两层单向层的组合，即经线和纬线分的组合，即经线和纬线分别作为单向层的组合。别作为单向层的组合。横向泊松比横向泊松比 T=L ET/EL采用正交各向异性材料的

24、采用正交各向异性材料的关系式关系式面内剪切弹性模面内剪切弹性模量量GLT=k GL1 T1 正交层的剪切模量与单向正交层的剪切模量与单向层的剪切模量是一样的，层的剪切模量是一样的，k k称为波纹影响系数称为波纹影响系数1.各向同性材料各向同性材料 塑性材料屈服极限塑性材料屈服极限s脆性材料强度极限脆性材料强度极限b2.正交各向异性单层正交各向异性单层Xt 纵向拉伸强度纵向拉伸强度Xc 纵向压缩强度纵向压缩强度Yt 横向拉伸强度横向拉伸强度Yc 横向压缩强度横向压缩强度S面内剪切强度面内剪切强度u单层的强度（3 3）强度的预测公式）强度的预测公式纵向拉伸强度公式：纵向拉伸强度公式：)1()1()

25、(maxmaxmaxfmffmfftVVVX)(maxffVV)(maxffVV fmax纤维最大拉伸应力；mmax基体最大拉伸应力(a)fmax基体应变等于纤维最大拉应变时应力 Vf 纤维体积含量；Vfmax强度由纤维控制的最小纤维体积含量maxmaxmaxmaxmaxmax)()(fmmffmmfVmax)(fmmaxm fmaxfmax基体控制纤维控制)1()(maxmaxmaxfmffCVVfmax)(fmmaxm)V1(fmaxmmaxC maxfVfVmaxffVVmaxffVV复合材料的强度（最大复合材料应力）作为纤维体积含量的函数给出复合材料的强度（最大复合材料应力）作为纤维体

26、积含量的函数给出基体控制纤维控制xt两式连立可得到纤维控制复合材料强度所需的最小纤维体积含量Vfmax纵向压缩强度公式：纵向压缩强度公式：fmfmfffcVGVEEVVX1)1(32 Ef纤维弹性模量；Gm基体剪切弹性模量 Em 基体弹性模量；Vf 纤维体积含量；u单层的失效准则单层的失效准则失效准则应该满足下列几项要求：失效准则应该满足下列几项要求：失效准则应具有明确的物理意义，它在应力空间所确定的失效准则应具有明确的物理意义，它在应力空间所确定的曲面必须是有界；曲面必须是有界；失效准则中的材料常数应该可以用最简单的实验来确定，失效准则中的材料常数应该可以用最简单的实验来确定，且数量最少；且

27、数量最少；失效准则应尽可能简单，便于使用；失效准则应尽可能简单，便于使用；失效准则同实验结果能满意的相符。失效准则同实验结果能满意的相符。复合材料强度准则要更解决的问题复合材料强度准则要更解决的问题利用可以确定的几个利用可以确定的几个单向基本强度，判定复合材料在偏轴状态和各种应力组合状单向基本强度，判定复合材料在偏轴状态和各种应力组合状态下的强度。态下的强度。进行复合材料的组合应力实验是相当困难的。进行复合材料的组合应力实验是相当困难的。SYYXXctct122211或或（1）最大应力准则最大应力准则式中，式中，l工作应力为代数值，基工作应力为代数值，基本强度为绝对值。本强度为绝对值。l上述表

28、达式左边的量都上述表达式左边的量都小于小于右右边的量，边的量，则表示单则表示单层未失效；层未失效；l只要只要满足式（满足式（2-58）中）中任何一个任何一个，则认为材料已，则认为材料已经失效。经失效。l未考虑各应力分量对材未考虑各应力分量对材料强度的相互影响。料强度的相互影响。l当作用应力在偏轴向，当作用应力在偏轴向，必须转换到正轴向。必须转换到正轴向。t1例：例：考虑单向纤维单层板，假设强度为：考虑单向纤维单层板，假设强度为：222cm/N2000Scm/N1000Ycm/N50000X 其应力场为：其应力场为：2122221/1000/2000/45000cmNcmNcmN最大主应力低于最

29、大强度，但最大主应力低于最大强度，但 2比比Y大，在大，在2方向上破坏。方向上破坏。正交各向异性材料正交各向异性材料 强度随方向不同变化；强度随方向不同变化；拉伸和压缩失效的机理不同；拉伸和压缩失效的机理不同；面内剪切强度也是独立的。面内剪切强度也是独立的。1 22 12 2.最大应变失效准则最大应变失效准则最大应变失效准则认为复合材料在复杂应力状态下进入破坏的主要原因是材料各正轴方向的应变值达到了各基本强度值所对应的应变值，其失效准则为1212S tCtCXXYY（或）(或）122112LTvXvYS tt122112LTvXvYS cc线弹性假设 最大应变准则考虑了另外一个弹性主方向应力的

30、影响。最大应变准则考虑了另外一个弹性主方向应力的影响。3.蔡希尔（蔡希尔（TsaiHill）失效准则）失效准则Mises屈服准则2222222()()()6()2yzzxxyyzzxxyss 为单轴下的屈服极限222222233112233112()()()2221FGHLMNF、G、H、L、M、N各向异性系数将六个基本强度X,Y,Z,S23,S31,S12代入求各向异性系数2222222211()()()()12yzzxxyyzzxxyss2-3平面为各向同性面22211221222221XXYS 1.将X、Y、S联系在一个方程中，充分 考虑到他们之间的相互作用；2.对拉压强度不同的材料，失

31、效准则不 能用同一个表达式同时表达拉压应 力两种情况。4.霍夫曼失效准则霍夫曼失效准则122122cttccttcct22ct2121SYYYYXXXXYYXX对拉压强度不同的材料，用同一个表达式同时给出。5.蔡胡（蔡胡（TsaiWu）失效准则）失效准则1(,1,2,6)iiijijFFi j 对于平面应力状态下的正交各向异性单向板（或单层可以简化为对于平面应力状态下的正交各向异性单向板（或单层可以简化为2221111212222666161626261122662221FFFFFFFFF 3.复合材料层合板设计铺层的取向铺层的取向铺设顺序铺设顺序各定向层各定向层相对于总层数的相对于总层数的百

32、分比百分比和和总层数总层数。复合材料层合板设计通常又称为铺层设计。复合材料层合板设计通常又称为铺层设计。u层合板设计原则层合板设计原则单向及准各向同性板的铺层结构铺层定向原则铺层定向原则 在满足受力的情况下，在满足受力的情况下，铺层取向数应尽量少铺层取向数应尽量少，以简化设计和施工的工作量。一般多选择以简化设计和施工的工作量。一般多选择 0 0 9090 和和 45454 4种铺层方向种铺层方向。均衡对称铺设原则均衡对称铺设原则 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，以避免层合板形式，以避免拉拉-剪、拉剪、拉-弯耦合而引起固弯耦合而引起固化

33、后的翘曲等变形化后的翘曲等变形。(1)(1)层合板设计的一般原则层合板设计的一般原则铺层取向按承载选取原则铺层取向按承载选取原则 铺层的纤维轴向应尽可能与内力的拉、压方铺层的纤维轴向应尽可能与内力的拉、压方向一致，以最大限度利用纤维轴向的高性能。向一致，以最大限度利用纤维轴向的高性能。铺层最小比例原则铺层最小比例原则 为使复合材料的基体沿各个方向均不受载，为使复合材料的基体沿各个方向均不受载，对于由方向为对于由方向为 0 0 、9090 、4545 铺层铺层组成的层合板，其任一方向的最小铺层比例应组成的层合板，其任一方向的最小铺层比例应大于大于6%-10%6%-10%。(1)层合板设计的一般原

34、则层合板设计的一般原则铺设顺序原则铺设顺序原则A A：应使各定向单层尽量沿层合板厚度均匀分布，：应使各定向单层尽量沿层合板厚度均匀分布，避免避免将同一铺层的铺层集中放置将同一铺层的铺层集中放置。如果不得不使用时，一。如果不得不使用时，一般般不超过不超过4 4层层，以减少两种定向层的开裂和边缘分层，以减少两种定向层的开裂和边缘分层B：如果层合板中含有：如果层合板中含有 45层、层、0层和层和 90 层，层，应尽量在应尽量在+45 层和层和-45 层之间用层之间用 0 层或层或 90 层隔开层隔开，在，在 0 层和层和 90 层之间用层之间用+45 层或层或-45 层隔开层隔开，以降低层间应力。，

35、以降低层间应力。(1)(1)层合板设计的一般原则层合板设计的一般原则冲击载荷区设计原则冲击载荷区设计原则 冲击载荷区层合板应有足够多的冲击载荷区层合板应有足够多的0 0，也，也要有一定的要有一定的4545，必要时要进行，必要时要进行局部加局部加强，以确保足够的强度强，以确保足够的强度。防边缘分层破坏原则防边缘分层破坏原则 沿边缘区包一层玻璃布沿边缘区包一层玻璃布，以防止边缘分，以防止边缘分层破坏。层破坏。抗局部屈曲设计原则抗局部屈曲设计原则 对于有可能形成局部屈曲的区域，将对于有可能形成局部屈曲的区域，将45尽尽量铺设在层合板的表面，量铺设在层合板的表面，可提高局部屈曲可提高局部屈曲强度。强度

36、。连接区设计原则连接区设计原则 应使应使与载荷方向成与载荷方向成45的铺层比例的铺层比例40%，与，与载荷方向一致的铺层比例大于载荷方向一致的铺层比例大于30%，以保证连接，以保证连接区有足够的剪切强度和挤压强度，同时也有利于区有足够的剪切强度和挤压强度，同时也有利于扩散载荷和减少孔扩散载荷和减少孔 的应力集中。的应力集中。变厚度设计原则变厚度设计原则 在结构变厚度区域，铺层数递增或递减应在结构变厚度区域，铺层数递增或递减应形成台阶逐渐变化，因为厚度的突变会引形成台阶逐渐变化，因为厚度的突变会引起应力集中。要求每个起应力集中。要求每个台阶宽度大于或等台阶宽度大于或等于于2.5mm。为防止台阶处

37、剥离破坏，表面。为防止台阶处剥离破坏，表面应由连续铺层覆盖层。应由连续铺层覆盖层。l即用传统钢制部件的结构和性能做为复合材料即用传统钢制部件的结构和性能做为复合材料部件的设计标准。部件的设计标准。（2 2）等代设计法）等代设计法各向同性各向同性各向异性各向异性金属材料的破坏为塑性变形主导的金属材料的破坏为塑性变形主导的屈服破坏屈服破坏属于多尺度渐进式韧性破坏属于多尺度渐进式韧性破坏受受 力力 性性 质质层合板结构形式层合板结构形式用用 途途承受拉伸、压缩载承受拉伸、压缩载荷，可承受有荷，可承受有限的剪切载荷限的剪切载荷（0/90/90/00/90/90/0）或）或（90/0/0/9090/0/

38、0/90）用于主要应力状态为拉伸或用于主要应力状态为拉伸或压缩应力，或拉、压双向应压缩应力，或拉、压双向应力的构件。力的构件。承受拉伸载荷、剪承受拉伸载荷、剪切载荷切载荷（45/-45/-45/4545/-45/-45/45）或）或（-45/45/45/-45-45/45/45/-45）用于主要应力状态为剪切应用于主要应力状态为剪切应力的构件设计。力的构件设计。承受拉伸载荷、压承受拉伸载荷、压缩载荷、剪切缩载荷、剪切载荷载荷（0/45/90/-45/-0/45/90/-45/-45/90/45/045/90/45/0）用于面内一般应力作用的构用于面内一般应力作用的构件设计。件设计。承受压缩载荷

39、、剪承受压缩载荷、剪切载荷切载荷（45/90/-45/-45/90/-45/-45/90/4545/90/45）用于压缩和剪切应力，而剪用于压缩和剪切应力，而剪切应力为主要应力的构件设切应力为主要应力的构件设计。计。承受拉伸载荷、剪承受拉伸载荷、剪切载荷切载荷（45/0/-45/-45/0/4545/0/-45/-45/0/45）用于拉伸和剪切应力，而剪用于拉伸和剪切应力，而剪切应力为主要应力的构件设切应力为主要应力的构件设计。计。等待设计中供选择参考的层合板结构形式是基于某一类（即选定几种铺层角）或某几类层合是基于某一类（即选定几种铺层角）或某几类层合板选取不同的定向层比所排成的层合板系列，

40、以表板选取不同的定向层比所排成的层合板系列，以表格形式列出各个层合板在各种内力作用下的强度或格形式列出各个层合板在各种内力作用下的强度或刚度值，以及所需的层数，供设计选择。刚度值，以及所需的层数，供设计选择。（3 3）层合板排序设计法层合板排序设计法4.3.4 4.3.4 结构设计结构设计PPPP梁杆板壳圆柱壳扭力轴板容器结构的基本元素：连杆、拉杆、梁、平板、圆柱壳一般结构件：骨架结构时（如桁架、框架）硬壳结构形式（全硬壳结构，半硬壳机构）和薄壁结构空间点阵复合材料结构 先进格栅增强结构(AGS),NASA Langley研究中心研究人员把先进格栅增强结构技术列入未来航天结构技术发展的六大方向

41、之一的低成本结构技术之内；美国空间实验室把AGS技术列为迎接未来空间系统技术挑战的四大结构技术之一，这项技术未来在航天器燃料储箱、机身等大型复杂部件应用。X-Cor夹层结构：夹层结构：两片复合材料板之间的一个泡沫基体，两片复合材料板之间的一个泡沫基体，其中由其中由Z-Fiber针状纤维构成四方形的衍架网状结构。针状纤维构成四方形的衍架网状结构。新型的新型的K-Cor结构结构pin在两侧压平，在两侧压平，pin与面板结合力更强，与面板结合力更强，面板可以是复合材料也可以是金属面板可以是复合材料也可以是金属 1 1）按）按使用载荷设计使用载荷设计、按、按设计载荷校核设计载荷校核 2 2）按使用载荷

42、设计对应的许用值称为）按使用载荷设计对应的许用值称为使用许用值使用许用值；按设计载荷校核对应的许用值称为按设计载荷校核对应的许用值称为设计许用值设计许用值。1.1.结构设计的一般原则结构设计的一般原则 ns称为材料的许用应力 n 为安全系数 屈服强度 3）复合材料的失效准则只适用于单层结构，）复合材料的失效准则只适用于单层结构，一般采用一般采用蔡蔡-胡失效准则胡失效准则。正交化，相互作用。正交化，相互作用系数未规定时采用系数未规定时采用-0.5。4）没有刚度要求的一般部位，材料弹性常数）没有刚度要求的一般部位，材料弹性常数数据可采用数据可采用试验数据和平均值试验数据和平均值；有刚度要求的；有刚

43、度要求的重要部位需要选取重要部位需要选取B 基准值基准值。1222111121226162622666266611222221FFFFFFFFF 2221111212222666112221FFFFFF 许用值是结构设计的许用值是结构设计的关键要素之一关键要素之一，是判，是判断断结构强度的基准结构强度的基准，正确的确定，正确的确定许用值许用值是是结构设计和强度计算的重要任务之一结构设计和强度计算的重要任务之一.安全系数安全系数的确定也是一项非常重要的工作。的确定也是一项非常重要的工作。3.3.许用值与安全系数的确定许用值与安全系数的确定a:a:开孔试样开孔试样在环境条件下进行单轴拉伸试验，在环

44、境条件下进行单轴拉伸试验，测定测定断裂应变断裂应变，并除以安全系数，经过统计分析得到，并除以安全系数，经过统计分析得到使用许用值使用许用值。（1 1）拉伸时使用许用值拉伸时使用许用值取由下述三种情况得到的较小值取由下述三种情况得到的较小值 b:非缺口试样在环境条件下进行单轴拉伸试验，测定基体不出现明显裂纹所能达到的最大应变值，经过统计分析得到使用许用值。c:开孔试样在环境条件下进行拉伸两倍疲劳寿命试验，测定期所能达到的最大应变值，经过统计分析得到使用许用值。B B：压缩时使用许用值的确定方法：压缩时使用许用值的确定方法 a:a:低速冲击后低速冲击后试样在环境条件下进行单轴压缩试试样在环境条件下

45、进行单轴压缩试验，验，测定破坏应变测定破坏应变，并除以，并除以安全系数安全系数，经过统计，经过统计分析得到使用许用值分析得到使用许用值。b:带销开孔试样在环境条件下进行单轴压缩试验，测定破坏应变，并除以安全系数，经过统计分析得到使用许用值。c:低速冲击后试样在环境条件下进行压缩两倍疲劳寿命试验，测定其所能达到的最大应变值，经过统计分析得到使用许用值。a a：4545层合板试样层合板试样在环境条件下进行反复在环境条件下进行反复加载加载却载的拉伸（或压缩）疲劳试验却载的拉伸（或压缩）疲劳试验，并逐渐，并逐渐加大峰值加大峰值载荷的量值载荷的量值，测定，测定无残余应变下最大剪切应变值无残余应变下最大剪

46、切应变值，经过统计分析得到使用许用值。经过统计分析得到使用许用值。C C：剪切时使用许用值的确定方法：剪切时使用许用值的确定方法b：45层合板试样在环境条件下经小载荷 加载却载数次后，将其单调的拉伸至破坏，测定其各级小载荷下的应力应变曲线，并确定线性段的最大剪切应变值，经过统计分析得到使用许用值。在保证安全的条件下，应在保证安全的条件下，应尽可能降低尽可能降低安全系数。安全系数。载荷的载荷的稳定性稳定性材料性质的材料性质的均匀性和分散性均匀性和分散性理论计算公式的理论计算公式的近似性近似性构件的构件的重要性与危险程度重要性与危险程度加工工艺的加工工艺的准确性准确性无损检验的局限性无损检验的局限

47、性使用环境条件使用环境条件（2 2）安全系数的确定）安全系数的确定 工艺性包括构件的工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性制造工艺性和装配工艺性:（1 1）构件的）构件的拐角应具有较大的圆角半径拐角应具有较大的圆角半径；（2 2）对于外形复杂的复合材料构件设计，应）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考虑制造工艺上的难易程度，如可采合理的，如可采合理的分离面分离面分成两个或两个以上构件分成两个或两个以上构件；2.2.结构设计应考虑的工艺要求结构设计应考虑的工艺要求（3 3）结构件的）结构件的两面角应设计成直角或钝角两面角应设计成直角或钝角；（4 4）构件的）构件的表面质量

48、要求较高时，应使该表表面质量要求较高时，应使该表面为贴膜面面为贴膜面；（5 5）复合材料的）复合材料的壁厚壁厚一般应控制在一般应控制在；（6 6）机械连接区的连接板应尽量在）机械连接区的连接板应尽量在表面铺贴表面铺贴一层织物铺层一层织物铺层。（7 7）为了减少装配工作量，在工艺上可能的）为了减少装配工作量，在工艺上可能的条件下应条件下应尽量设计成整体性尽量设计成整体性。实例 张家界景区游览车复合材料车体的手糊成型（1）景区游览车结构特点分析v游览车外形结构比较复杂，尺寸较大；v车体分成三部分：车顶、车座和裙边；v车座和裙边外表面光滑，车顶两面光滑；v车顶、车座和裙边分别整体成型，然后再连接安装

49、成整体；v每节车箱需要承受四个游客的体重对车厢车座的作用；v车架和动力传动部分采用金属材料，其余均为复合材料；v车体能够经受住一定的外力冲击；车 头车 厢长 宽高（mm3）3080 1200 20002500 1200 2000总质量（kg）168145质量分布（kg）车顶6045车座9085裙边1815（2）选择复合材料制备游览车的优势：（3）游览车的力学分析：复合材料轻质高强，减重效果明显；复合材料耐腐蚀性、抗冲击性、抗疲劳性强；复合材料具有一次整体成型优势。行驶速度控制在行驶速度控制在12km/h12km/h，外形设计不考虑气动影响；，外形设计不考虑气动影响；游览车在起动、加减速或停止过

50、程中产生的加速度惯性力游览车在起动、加减速或停止过程中产生的加速度惯性力对车厢的车顶和车座的结合部以及车顶的下弯曲部产生应力对车厢的车顶和车座的结合部以及车顶的下弯曲部产生应力作用；作用；乘客的体重对游览车的车座的压力作用乘客的体重对游览车的车座的压力作用 ；（4）各分部件设计 复合材料车顶：车顶侧面为敞开式，前后两端为开口式；车顶边沿设计有向内表面突出的纵横向加强筋；每个车顶的质量小于45kg，经过计算的玻璃钢的壁厚平均为5.5mm，但实际厚度只有4.5mm，加强筋的截面尺寸为30mm 15mm；复合材料车座：承受整个车体和乘客的重量；车座由底板、边板和座椅等部分组成，一次整体成型；车座底板