1、复合材料结构设计基础复合材料结构设计基础材料科学与工程学院李顺林李顺林 王兴业王兴业 主编主编刘锡礼刘锡礼 刘德安刘德安 主审主审武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社复合材料结构设计基础复合材料结构设计基础主讲教师：葛曷一，任保胜主讲教师：葛曷一，任保胜课程先修课程先修力学基础力学基础 从材料力学基础出发，介绍复合材料从材料力学基础出发，介绍复合材料力学、复合材料结构力学和复合材料构件力学、复合材料结构力学和复合材料构件设计的基本知识。具体：复合材料经典层设计的基本知识。具体：复合材料经典层合板理论、刚度和强度的计算方法、复合合板理论、刚度和强度的计算方法、复合材料结构元件的分析和典型产品结构
2、设计材料结构元件的分析和典型产品结构设计的基本步骤和方法等内容。的基本步骤和方法等内容。材料力学和弹性力学材料力学和弹性力学 在在娱乐至死娱乐至死节目中，美国学者尼尔节目中，美国学者尼尔波兹曼提到波兹曼提到了娱乐遵循的三原则：第一，你不能有前提条件，观众了娱乐遵循的三原则：第一，你不能有前提条件，观众在观看你的节目时，不需要具备其他知识；第二，你不在观看你的节目时，不需要具备其他知识；第二，你不能给观众出难题，动脑筋的事儿别涉及；第三你应该像能给观众出难题，动脑筋的事儿别涉及；第三你应该像躲避瘟神一样避开阐述、争论、假设、讨论、说理、辩躲避瘟神一样避开阐述、争论、假设、讨论、说理、辩驳或其他传
3、统演说方法。驳或其他传统演说方法。在在复合材料结构设计基础复合材料结构设计基础讲授中，我们同样指讲授中，我们同样指出学习必须遵循的三原则：第一，你一定有前提条件，出学习必须遵循的三原则：第一，你一定有前提条件，学生在听讲课时，必须需要具备其他知识；第二，你一学生在听讲课时，必须需要具备其他知识；第二，你一定给学生出难题，动脑筋的事儿特别多；第三你应该像定给学生出难题，动脑筋的事儿特别多；第三你应该像迎接丘比特一样喜爱阐述、假设、讨论、推理、计算或迎接丘比特一样喜爱阐述、假设、讨论、推理、计算或其他方法。其他方法。1、绪论、绪论1.1 复合材料复合材料(Composite Materials)定
4、义、分类与命名定义、分类与命名(1)由两种或两种以上具有不同的化学或物理性由两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。(2)两种或两种以上不同化学性质或不两种或两种以上不同化学性质或不同组织相的物体，以微观形式或宏观同组织相的物体，以微观形式或宏观形式组合而成的材料。形式组合而成的材料。（3）有连续相的基体）有连续相的基体(如聚合物树脂、金属、如聚合物树脂、金属、陶瓷等陶瓷等)与分散相的增强体材料与分散相的增强体材料(如各种纤维、织如各种
5、纤维、织物及粉末填料等物及粉末填料等)组成的多相体系。组成的多相体系。用用途途结构复合材料结构复合材料功能复合材料功能复合材料 以其声、光、电、热、磁等以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，用于如物理特性为工程所应用，用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、振或热变形等热、声、光、电、磁的功能要求。磁的功能要求。以其力学性能如强度、刚以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所度、形变等特性为工程所应用，主要用于结构承力应用，主要用于结构承力或维持结构外形。或维持结构外形。组成组成基体材料基体材料(连续相连续相)增强材料增强材料(分散相
6、分散相)粘结、保护粘结、保护纤维，并传纤维，并传递应力递应力金属基复金属基复合材料合材料非金属基非金属基复合材料复合材料复合材料复合材料高聚物基高聚物基复合材料复合材料陶瓷基复陶瓷基复合材料合材料树脂基复树脂基复合材料合材料橡胶基复橡胶基复合材料合材料热固性树脂热固性树脂基复合材料基复合材料热塑性树脂热塑性树脂基复合材料基复合材料颗粒增强颗粒增强复合材料复合材料纤维增强纤维增强复合材料复合材料复合材料复合材料连续纤维连续纤维复合材料复合材料不连续纤维不连续纤维复合材料复合材料层合层合结构结构复合复合材料材料缠绕缠绕结构结构复合复合材料材料颗粒强化颗粒强化复合材料复合材料弥散强化弥散强化复合材料
7、复合材料多向多向编织编织复合复合材料材料短切短切纤维纤维复合复合材料材料晶须晶须复合复合材料材料 颗粒直径范围颗粒直径范围150m，颗颗粒体积含量粒体积含量2570%，增强颗增强颗粒之间的距离一般大于粒之间的距离一般大于1m。颗粒的作用：由于颗粒本身的颗粒的作用：由于颗粒本身的刚硬阻止基体变形而起到增强刚硬阻止基体变形而起到增强作用。作用。颗粒直径范围颗粒直径范围0.010.1 m，颗粒体积含量颗粒体积含量115。颗颗粒的作用：阻止基体材料的粒的作用：阻止基体材料的位错运动而起到增强作用。位错运动而起到增强作用。由无纬布或纤维由无纬布或纤维织物铺叠而成织物铺叠而成由纤维粗纱缠由纤维粗纱缠绕或纤
8、维织物绕或纤维织物带按一定缠绕带按一定缠绕规律卷绕而成规律卷绕而成由纤维在三维多由纤维在三维多方向编织而成方向编织而成(1)强调基体强调基体 即强调了基体材料的即强调了基体材料的种类和特征种类和特征(2)强调增强体强调增强体 即强调增强材即强调增强材 料的料的 种类和性质种类和性质酚醛树脂基复合酚醛树脂基复合材料、铝合金基材料、铝合金基复合材料等复合材料等碳纤维复合材料、金碳纤维复合材料、金属纤维复合材料、玻属纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等璃纤维复合材料等(3)基体与增强体并用基体与增强体并用 即同时出现基体材料即同时出现基体材料和增强体材料和增强体材料碳纤维增强环氧树脂复合材碳纤维增强环氧
9、树脂复合材料、玻璃纤维增强不饱和聚料、玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料等。酯树脂复合材料等。(4)俗称俗称玻璃钢就是玻玻璃钢就是玻璃纤维增强树璃纤维增强树脂基复合材料脂基复合材料的俗称的俗称1.2 复合材料的发展简史与现状泥坯泥坯(稻草掺入泥中稻草掺入泥中)、弓弓(木材为芯，在受拉木材为芯，在受拉面胶有平行的纤维面胶有平行的纤维)。十九世纪末期出现由纤维增强十九世纪末期出现由纤维增强橡胶制成的轮胎、橡胶布。橡胶制成的轮胎、橡胶布。复合材料创新复合材料创新聚丙烯腈基纤维发展聚丙烯腈基纤维发展 玻璃纤维结构调整玻璃纤维结构调整 开发能源、交通用复合材料市场开发能源、交通用复合材料市场纤维复合材料
10、基础设施应用纤维复合材料基础设施应用 复合材料综合处理与再生复合材料综合处理与再生 复复合合材材料料创创新新包括复合材料的技术发展、复合材料的包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用，具体要抓住树脂基体发展材料的应用，具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。展创新和产品应用发展创新。聚聚丙丙烯烯腈腈基基纤纤维维发发展展 我国碳纤维工业发展缓慢，与发我国碳纤维工业发展缓慢，与发达国家比较存在很大差距。达国家比较存在很大差距。国内碳纤维发展过程国内碳纤
11、维发展过程 中国中国PAN基基CF市场概况、特点市场概况、特点 大力发展聚丙烯腈基纤维既有需大力发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。要也有可能。玻璃纤维结构调整玻璃纤维结构调整 改进和发展纱类、机织物、无改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复纺毡、编织物、缝编织物、复合毡，推进玻纤与玻钢两行业合毡，推进玻纤与玻钢两行业密切合作，促进玻璃纤维增强密切合作，促进玻璃纤维增强材料的新发展。材料的新发展。开发能源、交通用复合材料市场开发能源、交通用复合材料市场 清洁、可再生能源用复合材料；清洁、可再生能源用复合材料；汽车、城市轨道交通用复合材料；汽车、城市轨道交通用复合材料；民航客机用复
12、合材料；民航客机用复合材料；船艇用复合材料。船艇用复合材料。纤维复合材料基础设施应用纤维复合材料基础设施应用 国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。复合材料综合处理与再生复合材料综合处理与再生 重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回收（热裂解）和能量回收，加强技术路线、综收（热裂解）和能量回收，加强技术路线、综
13、合处理技术研究，示范生产线建设，再生利用合处理技术研究，示范生产线建设，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的应用、研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的应用、在拉挤制品中的应用以及在在拉挤制品中的应用以及在SMC/BMC模压制模压制品中的应用和典型产品中的应用。品中的应用和典型产品中的应用。1.3复合材料及其结构设计的特点复合材料及其结构设计的特点纤维增强塑料是由高强度、脆性、低密度的纤维材料与低纤维增强塑料是由高强度、脆性、低密度的纤维材料与低强度、低模量、低密度、韧性较好的树脂基体所组成。强度、低模量、低密度、韧性较好的树脂基体所组成。1.3.1比强度高、比模量高比强度高、比模量高3
14、 4 5 10 20 30 40E/r(106cm)钢钢铝铝玻璃玻璃/环氧环氧Al2O3晶须晶须/NiAl2O3晶须晶须/铝铝碳化硼碳化硼/铝铝硼硼/环氧环氧碳碳/环氧环氧铍铍硼硼/钼钼硼硼/镍镍硼硼/铝铝/r(106cm)2 3 4 5 10几种常用几种常用材料和纤材料和纤维增强复维增强复合材料比合材料比强度、比强度、比模量的比模量的比较较(1)组分材料密度都较低；组分材料密度都较低；(2)由于纤维具有很小的直径，其由于纤维具有很小的直径，其内部缺陷要比块状形式的材料少内部缺陷要比块状形式的材料少得多，所以强度较高。得多，所以强度较高。复合材料在飞机上使复合材料在飞机上使用量已作为当代飞机用
15、量已作为当代飞机先进性的指标之一先进性的指标之一材料名称材料名称比强度比强度比模量比模量钢钢0.130.27铝铝0.170.26玻纤玻纤/聚酯聚酯CM0.530.21碳纤碳纤/环氧环氧CM1.030.211.3.2 复合材料结构设计的特点(1)复合材料既是一种材料又是一种结构复合材料既是一种材料又是一种结构(2)复合材料具有可设计性复合材料具有可设计性(3)复合材料结构设计包含材料设计复合材料结构设计包含材料设计单层的种类单层的种类 (a)无纬单层无纬单层 (b)经纬交织单层经纬交织单层层合结构复合材料层合结构复合材料由纤维与基体所组成的单由纤维与基体所组成的单层以不同方向层合而成层以不同方向
16、层合而成 实际工程中，绝大多数复合材料及其结构件是一次完成的。实际工程中，绝大多数复合材料及其结构件是一次完成的。层合板是复合材料结构件的基本单元而单层又是层合层合板是复合材料结构件的基本单元而单层又是层合板的基本单元。板的基本单元。首先分析单层的刚度与强度，首先分析单层的刚度与强度，然后分析层合板的刚度与强度再然后分析层合板的刚度与强度再分析复合材料结构件的刚度与强度。分析复合材料结构件的刚度与强度。在此基础上，讨论单层设计、层合在此基础上，讨论单层设计、层合板设计与结构设计。板设计与结构设计。本课程讲授内容：本课程讲授内容：可设计性好可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一复合材料
17、区别于传统材料的根本特点之一设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。具体体现在两个方面具体体现在两个方面力学设计力学设计给制品一定的强度给制品一定的强度和刚度和刚度功能设计功能设计给制品除力学性能给制品除力学性能外的其他性能外的其他性能 组分材料和铺层方向可按照设计要求组分材料和铺层方向可按照设计要求进行选择。选择不同的基体材料与增强材进行选择。选择不同的基体材料与增强材料以及它们的含量比，不同的铺层方向与料以及它们的含量比，不同的铺层方向与构成形式，可以构成不同性能的复
18、合材料。构成形式，可以构成不同性能的复合材料。组分材料有其自己的固有特性，而且组分组分材料有其自己的固有特性，而且组分材料之间要彼此相容材料之间要彼此相容(包括物理、化学、力包括物理、化学、力学等方面学等方面)，使其真正复合成一个整体，成，使其真正复合成一个整体，成为一种新材料。为一种新材料。1.3.3 复合材料力学性能的特点复合材料力学性能的特点(1)各向异性性能各向异性性能(2)非均质性非均质性(3)层间强度低层间强度低 材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵向，用字母向，用字母L表示，与其垂直的另一主方向称为横向，表示，与其垂直的另一主方向称
19、为横向，用字母用字母T表示。表示。(1)各向异性性能各向异性性能)1(2EG 通常的各向同性材料中，表达材料弹性性能独通常的各向同性材料中，表达材料弹性性能独立的工程弹性常数有两个：立的工程弹性常数有两个：E(弹性模量弹性模量)和和(泊松比泊松比)或剪切弹性模量或剪切弹性模量G。耦合变形的示例耦合变形的示例 对于复合材料中的每个单层，表达材料弹性性能的独立对于复合材料中的每个单层，表达材料弹性性能的独立的工程弹性常数有四个：纵向弹性模量的工程弹性常数有四个：纵向弹性模量EL、横向弹性模量、横向弹性模量ET、纵向泊松比纵向泊松比 L(或横向泊松比或横向泊松比 T)、面内剪切弹性模量、面内剪切弹性
20、模量GLT。耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、弯扭耦合与扭弯耦合耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、弯扭耦合与扭弯耦合(2)非均质性非均质性(3)层间强度低层间强度低层合结构复合材料在一种外力作层合结构复合材料在一种外力作用下，除了引起本身的基本变形用下，除了引起本身的基本变形外，还可能引起其他基本变形。外，还可能引起其他基本变形。耦合变形：耦合变形：在结构设计时，应尽量在结构设计时，应尽量减小层间应力，或采取减小层间应力，或采取某些构造措施，以避免某些构造措施，以避免层间分层破坏。层间分层破坏。1.3.4 几个基本假设几个基本假设研究复合材料的刚度和强度时，基本假设：研究复合材料的刚度和强度时，基本假
21、设：(1)假设层合板是连续的。由于连续性假设，使数学分析假设层合板是连续的。由于连续性假设，使数学分析中的一些连续性概念、极限概念以及微积分等数学工具都中的一些连续性概念、极限概念以及微积分等数学工具都能应用于力学分析中。能应用于力学分析中。(2）假设单向层合板是均匀的，多向层合板是分段均匀的。）假设单向层合板是均匀的，多向层合板是分段均匀的。(3)假设限于单向层合板是正交各向异性的：即认为单向假设限于单向层合板是正交各向异性的：即认为单向层合板具有两个相互垂直的弹性对称面。层合板具有两个相互垂直的弹性对称面。(4)假设限于层合板是线弹性的：即认为层合板在外力作用假设限于层合板是线弹性的：即认
22、为层合板在外力作用下产生的变形与外力成正比关系，且当外力移去后，层合下产生的变形与外力成正比关系，且当外力移去后，层合板能够完全恢复其原来形状。板能够完全恢复其原来形状。(5)假设层合板的变形是很小的。假设层合板的变形是很小的。上述五个基本假设，只有多向层合板的分段均匀上述五个基本假设，只有多向层合板的分段均匀性假设和单向层合板的正交各向异性假设，与材性假设和单向层合板的正交各向异性假设，与材料力学中的均匀性假设和各向同性假设有区别。料力学中的均匀性假设和各向同性假设有区别。1.3.5平面应力状态与平面应变状态平面应力状态与平面应变状态n平面应力状态：平面应力状态：单元体有一对平面上的应力等于单元体有一对平面上的应力等于0。（z z0 0，zxzx 0 0，zy zy 0 0 ）n平面应变状态（平面位移）：平面应变状态（平面位移）：z0（即（即0），），zxzx 0(0(31310 0)，zy zy 0(0(32320 0)，z z一般不一般不等于等于0 0。
