单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,2009-12-12,weizhou,#,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,第6章 复合材料结构设计6.1 概述,6.1 概述,6.1.1 复合材料结构设计过程,6.1.2 设计条件,6.1 概述6.1.1 复合材料结构设计过程,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,2009-12-12,3,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,6.1.1 复合材料结构设计过程,明确设计条件,材料设计,1,2,3,4,结构设计,应力应变及失效分析,2009-12-12,4,6.1.1 复合材料结构设计过程明确设计条件1234结构设计,6.1.2 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,2009-12-12,5,6.1.2 设计条件设计条件结构性能要求载荷情况环境条件结构,A 结构性能要求,结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全,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,隔绝外界的环境状态而保护内部物体,6.1.2 设计条件,2009-12-12,6,A 结构性能要求6.1.2 设计条件2009-12-126,B 载荷情况,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。,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,2009-12-12,7,B 载荷情况6.1.2 设计条件2009-12-127,C 环境条件,力学条件：加速度、冲击、振动、声音等,物理条件：压力、温度、湿度等,气象条件：风雨、冰雪、日光灯等,大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等,6.1.2 设计条件,2009-12-12,8,C 环境条件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：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来度量称为结构的可靠度。,结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性两方面。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。,2009-12-12,9,6.1.2 设计条件D 结构的可靠性与经济性2009-12-,6.2 材料设计,6.2.1 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,6.2 材料设计6.2.1 原材料的选择与复合材料性能,A 原材料的选择原则,比强度、比刚度高,材料与结构的使用环境相适应,满足结构特殊性要求,满足工艺性要求,成本低、效益高,6.2.1 原材料的选择与复合材料性能,2009-12-12,11,A 原材料的选择原则6.2.1 原材料的选择与复合材料性能2,B 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,良好的透波、吸波性能,E,或,S,玻璃纤维、凯夫拉纤维、氧化铝纤维等,高刚度,高模量碳纤维、硼纤维,高抗冲击性,玻璃纤维、凯夫拉纤维,B 纤维选择6.2.1 原材料的选择与复合材料性能2009-,B 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,2009-12-12,13,低温工作性能,低温不脆化的碳纤维,尺寸对温度不敏感,凯夫拉纤维或碳纤维,(,热膨胀系数可为负值,),高强度、高刚度,碳纤维或硼纤维,(,比强度和比刚度,),B 纤维选择6.2.1 原材料的选择与复合材料性能2009-,项目,玻璃/树脂,凯夫拉49/树脂,碳/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,2009-12-12,14,项目玻璃/树脂凯夫拉49/树脂碳/树脂成本低中等高密度大小中,6.2.1 原材料的选择与复合材料性能,2009-12-12,15,C 树脂选择,主要有热固性和热塑性树脂可供选择,要求基体材料能在使用温度范围内正常工作,要求基体材料具有一定的力学性能,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,要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能,要求具有一定的工艺性,6.2.1 原材料的选择与复合材料性能2009-12-121,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。,6.2.2 单层性能的确定,2009-12-12,16,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,A 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,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,A 单层树脂含量的选择6.2.2 单层性能的确定2009-1,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,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3352-88和3355-88来执行。,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2,B 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：,B 刚度的预测公式6.2.2 单层性能的确定2009-12-,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2009-12-1220式(6-2,6.2.2 单层性能的确定,2009-12-12,21,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2009-12-1221单层、纤,6.2.2 单层性能的确定,2009-12-12,22,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和，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2009-12-1222确定E2从,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2009-12-1223所以：(6,6.2.2 单层性能的确定,2009-12-12,24,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：,(6-18),2由实验确定，玻璃/环氧可取0.5，碳/环氧可取0.97,6.2.2 单层性能的确定2009-12-1224变形得：(,6.2.2 单向层的工程弹性常数预测公式,2009-12-12,25,工程弹性常数,预测公式,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，对此可改用修正公式(6-17a),(6-18a),6.2.2 单向层的工程弹性常数预测公式2009-12-12,6.2.2 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2009-12-1226(6-17,6.2.2 单层性能的确定,2009-12-12,27,C 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2009-12-1227C 强度的,6.2.2 单层性能的确定,2009-12-12,28,(6-21),(6-22),式中：,6.2.2 单层性能的确定2009-12-1228(6-21,A 层合板设计的一般原则,铺层定向原则,均衡对称铺设原则,铺层取向按承载选取原则,铺层最小比例原则,铺设顺序原则,冲击载荷区设计原则,防边缘分层破坏原则,抗局部屈曲设计原则,连接区设计原则,变厚度设计原则,6.2.3 复合材料层合板设计,2009-12-12,29,A 层合板设计的一般原则6.2.3 复合材料层合板设计200,B 等代设计法,C 准网络设计法,D 毯式曲线设计法,E 主应力设计法,F 层合板排序设计法,G 层合板优化设计法,6.2.3 复合材料层合板设计,2009-12-12,30,B 等代设计法6.2.3 复合材料层合板设计2009-12-,6.3 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 结构设计6.3.1 结构设计的一般原则,6.3.1 结构设计的一般原则,2009-12-12,32,1)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。,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,。,6.3.1 结构设计的一般原则2009-12-12321),6.3.1 结构设计的一般原则,2009-12-12,33,2)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。,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。,6.3.1 结构设计的一般原则2009-12-12332),6.3.1 结构设计的一般原则,2009-12-12,34,6.3.1 结构设计的一般原则2009-12-1234,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