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6.1 概述6.1.1 复合材料结构设计过程6.1.2 设计条件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2009-12-123.6.1.1 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2009-12-124.6.1.2
2、设计条件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2009-12-125.A 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)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2009-12-126.B 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2009-12-127.C 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
3、：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2009-12-128.6.1.2 设计条件D 结构的可靠性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。2009-12-129.6.2 材料设计6.2.
4、1 原材料的选择与复合材料性能6.2.2 单层性能的确定6.2.3 复合材料层合板设计A 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2009-12-12.11B 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2009-12-12.12 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B 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
5、规格6.2.1 原材料的选择与复合材料性能2009-12-12.13 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、高刚度项目项目玻璃玻璃/树脂树脂凯夫拉凯夫拉49/树脂树脂碳碳/树脂树脂成本低中等高密度大小中等加工容易困难较容易抗冲击性能中等好差透波性良好最佳不透电波可选用形式多厚度规格较少厚度规格较少使用经验丰富不多较多强度较好比拉伸强度最高比压缩强度最低比拉伸强度最高比压缩强度最高刚度低中等高断裂伸长率大中等小耐湿性差差好热膨胀系数适中沿纤维方向接近零沿纤维方向接近零表6-1 几种纤维增强树脂的特点200
6、9-12-12.146.2.1 原材料的选择与复合材料性能2009-12-12.15C 树脂选择树脂选择主要有热固性和热塑性树脂可供选择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
7、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2009-12-12.16A 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2009-12-12.17单层的功用单层的功用固化后树脂的质量含量固化后树脂的质量含量(%)主要承受拉伸、压缩、弯曲载荷27主要承受剪切载荷30用作受力构件的修补35主要用作外表层防机械损伤和大气老化70主要用作防腐蚀7090体积含量与质量含量之间的关系为：6.2.2 单层
8、性能的确定2009-12-12.18(6-1)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。B 刚度的预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2009-12-12.19(6-2)式中：6.2.2 单层性能的确定2009-12-12.20式(6-2)可改写为下面形式：(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)6.2.2 单层性能的确定2009-12-
9、12.21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)6.2.2 单层性能的确定2009-12-12.222)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)6.2.2 单层性能的确定2009-12-12.23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)6.2.2 单层性能的确定2009-12-12.24变形得：(6-
10、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：(6-18)2由实验确定，玻璃/环氧可取0.5，碳/环氧可取0.976.2.2 单向层的工程弹性常数预测公式2009-12-12.25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此式基本符合试验测定值横向弹性模量按此式预测的值往往低于试验测定值，对此可改用修正公式(6-17)(6-18)纵向泊松比此式基本符合试验测定值横向泊松比此式为工程弹性常数之间的关系式面内剪切弹性模量按此式预测的值往往低于试验测定值，对此可改
11、用修正公式(6-17a)(6-18a)6.2.2 单层性能的确定2009-12-12.26(6-17a)(6-18a)6.2.2 单层性能的确定2009-12-12.27C 强度的预测公式强度的预测公式纵向拉伸强度：(6-19)(6-20)6.2.2 单层性能的确定2009-12-12.28(6-21)(6-22)式中：A 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2
12、009-12-12.29B 等代设计法等代设计法C 准网络设计法准网络设计法D 毯式曲线设计法毯式曲线设计法E 主应力设计法主应力设计法F 层合板排序设计法层合板排序设计法G 层合板优化设计法层合板优化设计法6.2.3 复合材料层合板设计2009-12-12.306.3 结构设计6.3.1 结构设计的一般原则6.3.2 结构设计应考虑的工艺性要求6.3.3 许用值与安全系数的确定6.3.4 典型结构件的设计6.3.5 各种结构形式的选择6.3.6 结构设计与应考虑的其它因素6.3.1 结构设计的一般原则2009-12-12.32 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
13、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。6.3.1 结构设计的一般原则2009-12-12.33 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。p6.3.1 结构设计的一般原则2009-12-12.34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
14、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2009-12-12.35A 许用值的确定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
15、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2009-12-12.36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6.3.3 许用值与安全系数的确定2009-12-1
16、2.37B 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2009-12-12.38p6.3.4 典型结构件的设计2009-12-12.39p6.3.4 典型结构件的设计2009-12-12.40A 结构形式的分类结构形式的分类（1）骨架式结构桁架结构（左一，左二）刚架结构（右一，右二）6.3.5 各种结构形式的选择2009-12-12.41（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2009-12-12.42
