第6章 复合材料结构设计课件

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1、第6章　复合材料结构设计6.1　复合材料结构设计的新理念6.2　复合材料结构设计概述6.3　材料设计6.4　层合板设计6.5　结论与讨论6.1　复合材料结构设计的新理念6.1.1　宏观、细观和微观层面上的复合材料结构一体化设计复合材料包含增强相、基体相与界面相，确切地说，或从细观角度来讲，复合材料本身就是一种结构。以前述层合板为例，可视为宏观结构，而组成层合板的各个铺层(单向板)可视为细观结构，而铺层中又包含纤维、基体与界面，可视为微观结构。这就是说，一个层合板结构可分解为宏观、细观与微观三个层次。6.1.2　在材料、工艺和设计层面上的复合材料结构一体化设计在传统金属

2、材料的结构设计中，均质材料可以用少数几个性能参数表示，很少考虑材料的结构与制造工艺问题，也就是说，材料、结构与设计具有一定意义上的相对独立性。而复合材料却不同，材料性能与微结构参数、工艺参数有很强的依赖关系。6.1.3　复合材料及其结构的软设计目前软科学理论已经应用到工程技术领域，形成了诸如工程软设计理论、结构软设计理论等新的学科分支。比如，近些年来对工程结构可靠性方面的研究就是一种软科学理论。6.1.4　复合材料及其结构的虚拟设计将计算机的仿真、虚拟技术应用到复合材料及其结构设计中，可大大缩短研制周期，降低设计成本，优化设计方案。复合材料结构设计所涉及的知识领域比较

3、广泛，鉴于本节前面各章节的预备知识的有限性，本章将定性讨论材料设计、结构设计的一些原则性的问题以及较详尽讨论层合板的设计问题。6.2　复合材料结构设计概述图6-1　复合材料结构设计基本步骤明确设计条件材料设计1234结构设计应力应变及失效分析2009-12-127weizhou@cug.edu.cn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2009-12-128weizhou@cug.edu.cnA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20

4、09-12-129B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。2009-12-1210C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2009-12-1211D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

5、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。2009-12-1212A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2009-12-12136.3　材料设计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2009-12-1214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纤维选择首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规格2009-12-1215低温

6、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)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零2009-12-12162009-12-1217C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

7、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按刚度要求进行材料设计对于编织类复合材料(Wovencomposites)，如玻璃布、粗纱布等，由组分材料性能、体积比得到复合材料性能的解析解是困难的。而对于单向纤维增强的单向板(铺层)来说，可按第4章的解析计算方法设计铺层的刚度。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。