1、第6章 复合材料结构设计6.1 概述6.2 材料设计6.3 结构设计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，典型结构件设计、连接设计等)的反复反复过程。在综合过程中必须考虑的一些主要因素有：结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、工装模具的通用性及设计经验等。复合材料结构设计的综合过程如图所示，大致分为三个步骤：6.1.1 复合材料结构设计过程11/14/202226.1.1 复合材料结构设计过程1)明确设计条件2)材料设计12343)结构设计4)应力应变及失效分析11/14/20223A 结构性能要求结构性能要求1)结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全2
2、)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的限制3)隔绝外界的环境状态而保护内部物体6.1.2 设计条件11/14/20224B 载荷情况载荷情况1)静载荷：缓慢地由零增加到某一定数值以后就保持不变或变动得不显著的载荷。2)动载荷：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。6.1.2 设计条件11/14/20225C 环境条件环境条件1)力学条件：加速度、冲击、振动、声音等2)物理条件：压力、温度、湿度等3)气象条件：风雨、冰雪、日光灯等4)大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等6.1.2 设计条件11/14/202266.1.2 设计条件D 结构的可靠性
3、与经济性结构的可靠性与经济性1)结构的可靠性：指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正常工作的能力。这种能力用一种概率概率来度量称为结构的可靠度。2)结构设计的合理性最终表现在可靠性可靠性和经济性经济性两方面。一般来说，要提高可靠性就得增加初期成本，而维修成本是随可靠性增加而降低的，所以总成本最低时(即经济性最好)可靠性最为合理。11/14/20227A 原材料的选择原则原材料的选择原则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6.2.1 原材料的选择与复合材料性能11/14/202
4、28B 纤维选择纤维选择首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规格6.2.1 原材料的选择与复合材料性能 E或S玻璃纤维、凯夫拉纤维、氧化铝纤维等良好的透波、吸波性能 高模量碳纤维、硼纤维高刚度 玻璃纤维、凯夫拉纤维高抗冲击性11/14/20229B 纤维选择纤维选择首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规格6.2.1 原材料的选择与复合材料性能 低温不脆化的碳纤维低温工作性能 凯夫拉纤维或碳纤维(热膨胀系数可为负值)尺寸对温度不敏感 碳纤维或硼纤维(比强度和比刚度)高强度、高刚度11/14/2022106.2.1 原材料的选择与复合材料性能C 树脂选择树脂选择主要有热固性和热塑性树脂可供选择
5、1)要求基体材料能在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)要求基体材料的断裂伸长率大于或接近纤维的断裂伸长率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11/14/202211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利用细观力学方法推得的预测公式来进行计算推得的预测公式来进行计算。而在
6、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。6.2.2 单层性能的确定11/14/202212A 单层树脂含量的选择单层树脂含量的选择一般根据单层的承力性质或单层的使用功能选取6.2.2 单层性能的确定11/14/202213体积含量与质量含量之间的关系为：6.2.2 单层性能的确定(6-1)分别为纤维、树脂的质量百分比；分别为纤维、树脂的密度。式中：另外，在最终设计阶段，一般为了单层性能参数的真实可靠，使设计更为合理，单层性能的确定需用试验的方法。可依据国家标准GB3352-88和GB3355-88来执行。11/14/2022146.2.2 单层性能的确定式(6-2)可改写为下面形
7、式：(6-3)式中：(6-4)分别为单层的纤维体积含量和基体体积含量。纤维和基体有相同的线应变，且都等于单元的纵向线应变，于是有：(6-5)11/14/2022156.2.2 单层性能的确定单层、纤维和基体都是线弹性的，都服从胡克定律，于是有：(6-6)将式(6-5)和(6-6)代入式(6-3)可得：(6-7)由于(6-8)所以式(6-7)又可写为：(6-9)11/14/2022166.2.2 单层性能的确定2)确定E2代表性体积单元的作用应力为2，纤维和基体的弹性模量分别为Ef和Em，求横向弹性模量E2。从宏观角度看：(6-10)从细观角度看：(6-11)11/14/202217B 刚度的预
8、测公式刚度的预测公式选择代表性体积单元如右图所示6.2.2 单层性能的确定1)确定代表性体积单元的作用应力为，纤维和基体的弹性模量分别为和，求纵向弹性模量。(6-2)分别为代表性体积单元的，纤维的和基体的横截面面积。式中：11/14/2022186.2.2 单层性能的确定所以：(6-12)各部分同样满足胡克定律：(6-13)即可得：(6-14)或改写为：(6-15)11/14/2022196.2.2 单层性能的确定变形得：(6-16)实验证明，E1的计算公式(6-9)与实验值基本相符，而E2的计算公式(6-16)与实验值差别较大，计算值偏低，为此，可利用如下的经验公式计算：(6-17)式中：(
9、6-18)2由实验确定，玻璃/环氧可取0.5，碳/环氧可取0.9711/14/2022206.2.2 单向层的工程弹性常数预测公式11/14/2022216.2.2 单层性能的确定(6-17a)(6-18a)11/14/2022226.2.2 单层性能的确定C 强度的预测公式强度的预测公式纵向拉伸强度：(6-19)(6-20)式中为纤维的最大拉伸应力；为基体应变等于纤维最大拉伸应变式的基体应变；为基体的最大拉伸应力；Vf为纤维的体积含量；为强度由纤维控制的最小纤维体积含量。11/14/2022236.2.2 单层性能的确定(6-21)(6-22)为纤维弹性模量；为基体弹性模量；为基体剪切弹性模
10、量；为纤维的体积含量。式中：11/14/202224A 层合板设计的一般原则层合板设计的一般原则1)铺层定向原则2)均衡对称铺设原则3)铺层取向按承载选取原则4)铺层最小比例原则5)铺设顺序原则6)冲击载荷区设计原则7)防边缘分层破坏原则8)抗局部屈曲设计原则9)连接区设计原则10)变厚度设计原则6.2.3 复合材料层合板设计11/14/2022256.3.1 结构设计的一般原则 使用载荷是指正常使用中可能出现的最大载荷，在该载荷下结构不应产生残余变形。设计载荷是指设计中用来进行强度计算的载荷，在这种载荷下材料刚开始或接近破坏。1)复合材料结构一般采用按使用载荷设计，按设计载荷校核的方法。11
11、/14/2022266.3.1 结构设计的一般原则 许用值是计算中允许采用的性能值，由一定的试验数据确定。使用许用值与设计许用值由相应环境条件下的试验数据统计分析得到。2)按使用载荷设计时，采用使用载荷所对应的许用值称为使用许用值；按设计载荷校核时，采用设计载荷所对应的许用值，称为设计许用值。11/14/2022273)复合材料失效准则只适用于复合材料的单层。在未规定使用某一失效准则时，一般采用蔡-胡失效准则，且正则化相互作用系数未规定时也采用-0.5；4)有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数据可采用试验数据的平均值，而有刚度要求的重要部位需要选取基准值。6.3.1 结构设计的一般原则11/
12、14/202228工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性。复合材料结构设计时结构方案的选取和结构细节的设计对工艺性的好坏也有重要影响。主要应考虑的工艺性要求如下：1)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；2)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；3)结构件的两面角应设计成直角或钝角4)6.3.2 结构设计应考虑的工艺性要求11/14/202229A 许用值的确定许用值的确定许用值是结构设
13、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。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。6.3.3 许用值与安全系数的确定11/14/202230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
14、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6.3.3 许用值与安全系数的确定11/14/202231B 安全系数的安全系数的确定确定在结构设计中，为了确保结构安全工作，又考虑结构的经济性，要求质量轻、成本低，因此，在保证安全的条件下，应尽可能降低安全系数。安全系数的选择应主要考虑以下因素：1 载荷的稳定性2 材料性质的均匀性和分散性3 理论计算公式的近似性4 构件的重要性与危险程度5 加工工艺的准确性6 无损检测的局限性7 使用环境条件6.3.3 许用值与安全系数的确定11/14/202232典型结构件主要指一维的杆、二维的板、三维的壳。这些典型结构件的设计主要根据其受力情况而定p承拉杆件n圆棒状杆：纤维沿载荷方向（轴向）铺设n平板状拉杆：以纤维方向为的单层为主，的单层为辅（约占6%10%）p承压杆件n短粗杆件：因强度不够而被破坏，因此按强度条件设计n细长杆件：因失稳（弯折）而被破坏，按弯曲刚度条件设计6.3.4 典型结构件的设计11/14/202233（2）硬壳式结构纯硬壳式结构：贮罐，整流罩，机罩等，可一次成型制成半硬壳式结构，不能一次成型，需要多个构件组合（3）薄膜结构B 结构形式结构形式的选择的选择6.3.5 各种结构形式的选择11/14/202234
