复合材料结构设计分析与力学性能测试课件.pptx

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1、主要内容一、复合材料结构设计二、复合材料分析与优化三、复合材料力学性能测试与表征一、复合材料结构设计流程1、明确设计条件：性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制等。2、材料设计：原材料选择、铺层性能确定、层合板设计等。3、结构设计：复合材料层合板设计、结构典型特征的设计、夹芯结构设计、复合材料接头设计等。一、复合材料结构设计流程设计分析制造一体化在材料设计和结构设计中都涉及到应变、应力与变形分析、失效分析，以确保结构的强度和刚度。复合材料结构往往是材料与结构一次成型的，且材料也具有可设计性。一、复合材

2、料结构设计流程1、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一、复合材料结构设计流程结构性能要求结构所能承受的各种载荷；提供装置各种附件的空间，对结构形状和尺寸的限制；隔绝外界的环境状态而保护内部物体。一、复合材料结构设计流程载荷情况静载荷：是指载荷缓慢地由零增加到某一定数值后就保持不变或变动不显著的载荷；动载荷：是指能使构件产生较大的加速度，且不能忽略由此而产生的惯性力的载荷。动载荷分为：瞬时作用载荷、冲击载荷、交变载荷。动载荷作用下所产生的应力称为动应力。一、复合材料结构设计流程环境

3、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、日光等；大气条件：放射性、盐雾、风砂等。其中，力学和物理条件主要影响结构的强度和刚度，与材料的力学性能有关；气象和大气条件主要影响结构的腐蚀、磨损、老化等，与材料的理化性能有关。一、复合材料结构设计流程结构的可靠性与经济性可靠性指结构在所规定的使用寿命内，在给予的载荷和环境条件下，充分实现所预期的性能时结构正常工作的能力。用一种概率来度量称为结构的可靠度。结构静强度可靠性；结构疲劳强度可靠性。一、复合材料结构

4、设计流程结构的可靠性与经济性结构设计的合理性表现在可靠性和经济性两方面。提高可靠性就会增加初期成本；维修成本随可靠性增加而降低；总成本最低时经济性最好，可靠性最合理。一、复合材料结构设计流程2、材料设计原材料的选择原则纤维选择树脂的选择铺层性能确定复合材料的基本结构形式复合材料零部件的设计和制造是一个材料构成和成型的并行过程。设计人员除对结构件进行形状设计外还需进行材料设计。材料设计包括原材料的选取和纤维取向及连续性状态的安排。原材料选择一般可采用以下几种方式：一种是根据结构设计要求直接选取增强材料和

5、基体材料的种类和规格；另一种是根据结构设计要求选取定型的、商品化的预浸料；或者是两种方式混合使用。一、复合材料结构设计流程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能的要求满足工艺性要求低成本、高效益一、复合材料结构设计流程比强度、比刚度高比强度是指单向板纤维方向的强度与材料密度之比。比刚度是指单向板纤维方向的刚度与材料密度之比。多向层合板的比强度和比刚度要比单向板低30%~50%。一、复合材料结构设计流程典型纤维的比强度比刚度类型密度（g/cm3）拉伸强度（GPa）拉伸

6、模量（GPa）比强度比模量T3001.773.532211.99124.9T7001.804.902302.72127.8Kevlar491.463.621522.47104.1S-glass2.544.14861.7034.68E-glass2.542.76731.1329.43一、复合材料结构设计流程材料与结构的使用环境相适应原则材料的主要性能在结构的整个使用环境条件下，降幅值小于10%。树脂基复合材料温度和湿度对性能的影响较大，通过改进或选用合适的基体达到与使用环境相适应。满足结构特殊性能要求的

7、原则如飞机雷达罩透波性要求，隐身飞机吸波性要求等。一、复合材料结构设计流程满足工艺性要求的原则预浸料工艺性：挥发物含量、预浸料储存期等参数。固化成型工艺性：加压时间、固化温度、压力等。机加装配工艺性。修补工艺性：已固化与未固化复合材料通过胶粘剂粘接的能力。一、复合材料结构设计流程低成本、高效益原则低成本高效益原则材料成本初期成本制造成本维修成本一、复合材料结构设计流程纤维选择结构要求有良好的透波、吸波性能：选E或S玻璃纤维、凯芙拉纤维、氧化铝纤维。要求高的刚度：选用高模量的碳或硼纤维。要求高的抗冲击性

8、能：选用玻璃纤维、凯芙拉纤维。一、复合材料结构设计流程纤维选择要求好的低温工作性能：选用低温下不脆化的碳纤维。要求尺寸不随温度变化：选用凯芙拉或碳纤维。要求较高的强度和刚度：选用比强度、比刚度均较高的碳纤维。一、复合材料结构设计流程典型纤维的性能类型丝数拉伸强度（GPa）拉伸模量（GPa）纤维直径（µm）密度（g/cm3）T3003k3.5322171.77T70012k4.9023071.80Kevlar495803.62152121.46S-glas