12级复合材料结构设计参考资料

1、复合材料结构设计参考资料复合材料与工程考试形式笔试闭卷考试时间和地点时间：2015 年 6 月 25 日 14:00-15:40地点：材料学院A107题型与分数分布一.名词解释二.填空题三.简答题四.计算题a.纵向单轴试验:、绪论.复合材料：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 料性质不同的新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。一相为连续相，称为基体；起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。一相为分散相，称为增强体（增强相）或功能体。是以独立的形态分布在整个连续相中的， 两相之间存在着相界面。（分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料） 主要起承受载荷

2、的作用，赋予复合材料以一定的物理、化学功能。.复合材料分类：A按基体材料分：树脂基的复合材料、金属基复合材料、无机非金属复合材料B按分散相形态分：连续纤维增强、纤维织物增强、片状材料增强、短纤维增强、颗粒增强C按增强体材料种类分类：玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维。D按用途分类：结构复合材料：利用复合材料的各种良好力学性能用于制造结构的材料。功能复合材料：指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料.复合材料的结构层次：三次结构：纤维缠绕压力容器，即平常所说的制品结构（a）二次结构：从容器壁上切取的壳元即是由若干具有不同纤维方向的单层材料按一定顺序叠合而成的层合板（b）一次结构：层

3、合板的一个个铺层，是层合板的基本单元（c）二、单层板的宏观力学分析1.单层板的正轴刚度 正向：也就是说应力方向与坐标方向一致方向为正向，相反为负向。正面：截面外法线方向与坐标轴方向一致的面，否则为负面。bl和（t2表示正应力分量：拉伸为正，压缩为负，也就是使整 个单层板产生拉伸时的应力为正应力，而使单层板产生压缩时的应 力为负应力。12表示剪应力分量：其中正面正向为正；负面负向也为正。A.力学实验纵向泊松比Vi是单层板由于纵向单轴应力b1而引起的横向线应变e 2与纵向线应变e 1的比值。（e 2表示的是这个应变是由纵向应力1引起的）b.横向单轴试验型c.面内剪切实验由试验测的面内剪切弹性模量，

4、反应了单层板在其面内的抗剪切刚度特性。在相同的P2下,Gl2越大，丫 12越小。B虎克定律的推导-应力关系（用柔量分量或柔度分量）广义并克定律a.单层板正轴向的应变b.单层板正轴向的应力-应变关系（用模量分量或刚度分量）C.工程弹性常数与柔量分量及模量分量的关系根据以上讨论可期,用二组材J之三1一；一任二的正曾 度，梆TT五个这五T/不 是建立的.独立的只和内外， 伸d门士 同存在一个苦率 K.例1,已耻盛期I岁复口新司艇;阻柘叫E8.2?GPa（、出血如戊麻为朝工方阳钊强 *第为:轩域皆须4案触触幅“自号MJtM册量加则M4始喇 网Ml涧械晶黑丁/鬻索瑞歌鬻洪松蠹牌 变分鼠匕蟹反标E可野书牌

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6、应力的知峰槌揆公式. 那幺莪MJ卢过珏降空彩. 义 即以指争JFA正由应力求施他应力的关杂式. 修成也阵形式如小面的这个公式TPism=。茂前事，0/一日|由附立灾关志 本正讲喀室纵存 刘专换公代Rh例皴疗-mil am伶Ml ItHilifg?nin32 Miti2%加日KJ应中由“曲妒伟白nT a*口。* Min。 NMe曰kx 6空h用 而口”用B.偏轴工程弹性常数、柔量、模量推导偏轴工程弹性常数：是单层在偏轴向受单轴应力或剪切应力时的材料刚度性能参数偏轴柔量：由偏轴应力给出偏轴应变的应变-应力关系式确定的偏轴模量：由偏轴应变给出偏轴应变的应力-应变关系式确定的偏铀模量11J牯鹿量互道支

7、拴利用这三组关系式经过图中推导流程，得到 正轴工程弹性常数与偏轴工程弹性常数之间 的转换关系修“工程甑身仔工日柔量和正轴柔量之间的关系式利用偏轴柔量与偏轴工程弹性 常数之间的关系式感设一单层版祗，#、1北、口网的作用应力置兄E求 使电融版麹理大的甯咖防雨的黜.1幅】可谓？现蓑观无限大懒切用鼠蛔试标当v 产时一嫄财无联意伯一41-&7 _%豆 一品一% 一%G I 一一4号卷Br匚钱北里TiTXt、纵向压缩强度3.单层板强度A正交各向异性单层板在平面应力状态的基本强度指标：纵向拉伸强度Xc、横向拉伸强度 Yt、横向压缩强度 Yc、面内剪切强度 SB强度比（R）:单层在施加应力的作用下，极限应力的

8、某一分量与其对应的施加应力的分量之比称为强度/应力比36s。四0*步!司泗vjE理产士f ,6各（1/ 脑比的也金曲为产 EJci-ei-Q由 力 施加的近内立亡笠内要专曲时.什L甘是要全格度的一聊度.R 的具体融值M,施打应力或成变现失效时，修可附的应力新费第 常财为Hl，7IK-7,则同可中加L出的鼓宿才费发生喘胃.例5T3M/父惘曼奇财科取向板的应力状恚如阴3.2所言.已加 产5coM融，配151试分别用最大应力强 使碓内、楹大应变建世潴南、9和来强度椎事和演员掘星鹿则检 核其我度.%灯配皿心.=40船a- 14舶MM-如MM融百元摹匕薄板事正贴三方ni-ccK15!O%6, fi-si

9、nl5=O.25f 2.2 1）可，花K的应力或正变小好之到期艮时,R-L材肾发生破坏 于1.小/海与实际意义当场峋励其豉为一靴矢篁密醵腐髓质力雕夷的摘乱：,2卜抵大J鼠力推皿校梅GJUMPak安全-：3J指fl大应文准踮悭管由 W LJ可祠产 1HQ% KWiMflto.均3a GUW747GP1. ,-j a -C 工耻上=44tMPk nrV9I*4d.B-DjQUH*ttJz1IM P臼星丈单堂厚度椎町第二个表达式.因此s是青金的台5按蒙工张量击T式也叫咬出由去2X1近RT3OT/520a显岩可相应力空M的强度行政并代人式2 M.U可用吃时+ %冷+%产内巧wMn由-MW* M 59H

10、 4ag十 10如Jf 43始后hlff*户*瓢力mHTn MW不支登;1乂以上绝粮口：&者里-I;HH洞声匕粒怕攫厘的学果1T三、层合板的宏观力学分析.层合板是由两层或者两层以上按不同方向配置的单层板层合形成的整体的结构单元。（单层板的性能与组分材料及材料主方向有关）中面：对层合板进行力学性能分析时，离层合板的两个表面等距离的平面。.层合板的简明标记方法：s表不对称。0 5/90 2/45/90/0 3。这种偶数层对称层合板：对称铺层只写出一半，括号外加写下标“ 奇数层对称层合板：在对称中面上的铺层用顶标”表示。非对称层合板，必须在标记中标明全部铺层组的铺设顺序。例如: 层合板标记，仅表明由

11、底面向上至顶面的铺设顺序，而不能相反。 铺设参数：层数铺层材料、主方向、铺层纤维种类、叠放次序9 fi S 9.fl A *T显”45.11主Ci） V-ttlirtlMHIfO国手受辱事才才月的亮梢而M8方图之耳哥单1广外4 学匚一看 镂下鼻上或由凶事0.工抖苗千年目iM0|.E用太0Q学出一T.括号条 耳下新T,麦承时HQ3H(S 的q:在彳鼻中市皆值书士&翩r第_JL.窗*星版It普摩 就Ml。q口门站网._J5_碗门醋H梅* MB口E家住西田电哂用台HE川宇下斫1;卯00XMZI、3/电 zQC%6 Gfin 网-.。0仁H缝峥竹笔用巷*用/保亲 Mi iC砂4G.区万帕析* CH 出

12、事内地+ B； MW b川MUQ3.层合板的种类A对称层合板：指层合板中面两侧对应处的各单层材料相同、厚度相同、铺层角相等层合板a正交对称层合板只有相互垂直的两种铺层方向的对称层合板，如(0/90/0sb对称均衡层合板是指-?单层数和+?单层数相同的对称层合板，均衡层合板还可以包含任意量的0度和90度的层。c对称均衡斜交层合板一一仅仅由相同数量的板，不包含0度和90度的层，如-?姜幽鱼邈耐辆葭B非对称层合板3 2.2对称层合板的面内工将弹性常数套照定义单层偏轴L程弹性常数的方法定义层合扳的面内工程通性常数.C夹芯层合板：由两层薄的高强度高位模曲逐对称最畲板的面内网所组.R层合板的商内工程犁性常

13、效结构的抗弯刚度JJ，HkL/LI- L J,H 憎工等LU函里除赳麟性营刎曲是定义.醐面内邛力:原分利用材料的强度,:A Q = 4M，=%.=0,N：当对稻层合极猥访向单向拉伸低输时通定义：面内拉压弹性模量1舟硒,% 4 %_L”同理-层合板应受】一方向单向拉伸（压缩）时,可得n；*qn = n面内拉压弹性模量甘=-5同理.仅受Ay方向考切应力时，3,2对称层合板的面内刚度3ym面内刚度系数的计算层合板面眄用度年费日TU台比悬MeiFR个中r若含汇成法，力日才事 一单U俎内保碇皆母不3E,再幽典理四下交戒. y . 相邻度的生椎差值,I=q）虚卜力4仁-埼可L 一二一一1k-lXH见：也的

14、岛物拒吊的以，层布的正加化面内向哇室鼓为:n 41浸R的*1 1;力界4 = H =(=二工上47 J 1-：生X因为途里讨论的是曲林层向标.所联对低后音秋的正 则化面内恸圆浜勘4牛步父面内泊松耦合系数面内拉剪耦合系数,01产; r句 75(0E：E；G.JQ _用上虹理会性常段可以热凶且合镇金蓬目与面内方的笑矗事3|工堂甘住*鼠厩 亡.，亡】成度声置而内野切弹性摸量弓= %V面内胤拉福台裁裁就。=?口胁面内泊松II合耳效廿一冬61A： 面内拉翦情台卓致心/y .皿国K； = ；1=匚：=stjui,i,-斗，时上此m=&,即层合板上半部分或下半部分的单尾组总数为 心H程组奔向回隔为兀/G二3

15、。，又成为“5居合板匕-9,wwi 网尸二-y q a HlMR 2V 左 * h皿阳.v %加竭至小包心为。*和% 一法”*三舍，.”，, H k - ：.， .-,!， .； GIF悼*.9-?0窟JnroAifa.-tfvD一般兀/4层合板：各个单层均按0。、90。、45。、-45方向的一种或者几种铺设的对称层合板称为一般兀/4层合板。它是目前工程上主要应用的一类层合板， 如果各个单层组的材 料和厚度相同时，称为标准的兀 /4层合板，也是准各向同性层合板。 0方向的单层用来承 受轴向载荷；90。方向的单层用来承受横向载荷；土 45。单层用来承受剪切载荷。*，及明，*i.宁 /力 Ytro

16、,即律w代方前修RhiMA、*n4#X.Y，0 八.：，：，制符ft*方秋前为*小的解盗孱口/工=/点二*1E西总算作HifF文辰看杭：的片再出情不，心丫.中；芭两拜帮巨安句的*层毋积吉孟韭町HA-二；值抖画*口柒点工子西点作法套的，忸有学单号的土州三单品旭晟的居当粮.如砧干+4皿而W/点讣cdAF西点.注温襄阳.仅已欠了单层记-*FS;HEF岳生根，*t-：.心jVfifliO面H加S于可占单层惇A吉方方二七零倒层土根才对三枇草，一定去?S=R.一般层合板：对单层材料、铺叠方向与铺设顺序等没有任何限制的各种层合板， 其的刚度 用层合板的刚度系数 （层合板内力-应变关系式的系数）、 柔度系数（

17、层合板应变-内力关系 式的系数）和工程弹性常数三种形式给。弯曲率：层合板中面弯曲变形的曲率；扭曲率：层合板中面扭曲变形的曲率.为什么层合板的内力表达式只能采用分层积分？经典层合理论只考虑平面应力状态，不考虑各单层之间的层间应力，由于层合板各单层的偏 轴模量可以是不同的，因此层合板的应力是不连续分布的，只能分层积分。8层合板强度计算比单层板复杂的原因?尽管层合板在载荷作用下， 应变沿着厚度方向的分布形式较为简单； 但是层合板各个单层中 纤维的方向不一定相同， 也就是说层合板各个单层的偏轴模量可以不同，所以应力沿着厚度的分布要复杂的多。四、单层板的细观力学分析.复合材料的细观力学：是研究复合材料单

18、层的宏观性能与组分材料性能及细观结构之间的 定量关系。它要揭示不同的材料组合具有不同宏观性能的内在机制。7叼%小注应,、）单层的工程弹性常数G单层的工程弹性常数X单层的强度mv一分的表示惮性侵歪泊枪比利住职含最*下机和叫分别代表梦舞和基体：.勺一 I； 一分别为纤格和球体的强度，.纤维体积含量及质量分数FJr3单向连续纤维增强复合材料弹性常数的预测A串联模型（模型I）:纤维薄片和基体薄片在横向呈串联形式，意味纤维在横向完全被基 体隔开，适用于纤维所占百分比少的情况。a.纵向弹性模量Ei1土b横向弹，f模量E21由慢牛I给出的低表性体积鼎元,L忙，力位忤用金均应力小，工左b,几何关系算合上式即可

19、得这就是纵向弹性模量的混合法则公式,如果忽畸空隙含量的影响*则因此式U.3.5）又可写或6二E/o+E/1t）从生层阪会五，单元生有引注岫为b -工 b机诳正*看.b =匕/血+%也沛于串麻稳吧.a部分应内相忖l因此.单小、纤雄川拈悻左嗟分别为故口得或改得成式中E1为触层板的现向笄性模量,的标工表示由模4H所得到.I 1T.i=r = If * + 43 13c泊松比Vi1 /V21 （各向同性v取值范围（-1,1/2）；正交各向异性取决于两个弹性模量比值）但代*tfld* W*./也才向受缴7】横向泊松比中 丸的横向型花敏明.We出看也共则现家后,单元的横向登福陶等于纤割与基体的横向受那 之

20、和,iw- 3瞋,卢-塌”/一式中盯、为为轩锥.斑悻的飘向缱陞变.悔据几何美景.EF维和堇体具有相间纵向线应殳，且等于单 后的双向线应变= 1=* =7 因此 WjL 闪声唱-闪皿=&=?% +?七=tv/ - VfVf + 叱小凸）面内切切腹中的碗定1 1 就=区。+瓦0G，- 浴” G + GJl-v/）B并联模型（模型n）:纤维薄片与基体薄片在横向呈并联形式，意味纤维在横向完全连通,适用于纤维所占 百分比较高的情况。，向弹性模量从井族模型取出代表性悔枳单元，在正物L方同作用平均 出力叫.容昌看出,纵向伊性模量与中联模里I相同，即E：=E；=E产/ E#;C2），横向弹性模量并联模型的横同

21、抑性模量与寤联模聚的纵向界性模星相何.也、泊松比的确定四 吁E?、面内第愣摸鼠的附定C组合模型的弹性常数.纵向弹性模量耳L正八，八 。）或E产内5“ * -vJ横向弹性模量e （fr, -E ）VjE =号式1许.4）,消松出峥=% +与口-。）14,正交织物复合材料的弹性常数双向单房板的弹性常数可以按下式预测：式中升期表川向微的皿肉押忡惺和向出性修fL.“一号别莅5纵i“打雄再牝情日严他含K-hiWUt恢队旧繁融.逋常k-0 90D 95（3】之向和旧问泊松比C 4）叶门旧冲”I 阳111 Gir - r fJLJA lh。Stu，中*1帼的皿内明”,幄 K税W潴箝*啕扁做愉球维醉砒蜘涮央L

22、I&3/，附，/2的（料阂炉？。V；工 n2k a 0公戋衿接兔削绳枷&触身山”4. ”?、f诬 小:0“ J1K二1事物.二/咨/ 申以3新的呢工、.f k44千友卜今=如*的T*”步磁J1y f 2、型%厂 zrsr，,“沈，何 f g五、复合材料连接设计1.连接方式：A胶接、B机械连接（包括螺接和挪接）A胶接形式（单搭接/双搭接/斜面搭接/阶梯形搭接）、C混合连接B机械连接（有无起作用：搭接。寸接；受力 形式：单剪/双剪）其中每类有等厚度和变厚 度两种102.胶接连接和机械连接的比较箱抬Hi尢爆孔引出小讣记内槃中，木史摩坏堆.1、喊 步承依横!H而两双rO 零附片目少，速像BM中的时，依

23、发,迷报效 4Ai(3 NMH I t. P同科朋连接北电化半网融 R1阳51M牡#国此和聃噌柳总面.百揩元件上招投 坡九处/履.席时恒较好*门匕修i的永久也花较小,抗瑜英也能Mcl代精性俅受阡境M .热.嗯隆介所、影响夫.存在一定老化向奥h(力 我接*质分裁性大，倒离强度低，不IHM腔接连掂(5)施工附单.占用酬等阱套圃不需飕才招搞:的 黄阳牡蚱】)M产拆卸.装囱，检衣却推修.树伸11人辆，抗利向性能好，杵 h Ai(3)杭高飘即帆场变的能力大，受坤啧患叫 较小,(4)长山般掳隔化产牛的残余泣力人的救荷!(r缺乏白敕的出量隆网方法.可靠竹楚*皎遢孔加在腔程(N作n Z的(间处FLH 艺要求产

24、用,( 破2接件间配介公尤要求尸，般需加附加 理冏化投整小林较阳di眈捷后不可打河口)由于介材料的瞰性及杵向母性*层仆后J 孔使程雄打地被切断刖| 了构件新曲.弁 导，孔迪如迎A场分#中T寻线.蛾鹿打. 低”般只恍达到迷接耳板开九时极限渔用 的 2J% -WXiC，力了睥补度合板;FHL后强度卜肉的影响,可 处需局部加厚，仲师，fti贰本端加，则3峭固仆。朝舍材“葭蝌公产0电化； 腐蚀.敢需选用与源打怦电介材打电仿工组 小的小的例成的成网仍3机械连接形式的选择原则：(1)搭接和单盖板对接都会产生附加弯矩而造成接头承载能力的减小和连接效率的降低， 一般连接设计宜采用双剪连接形式，应尽量避免连接效

25、率较低的不对称单剪连接。(2)用双盖板对接能够避免附加弯矩，带锥度的连接形式可以改善多钉连结载荷分配的不均匀性，消除边缘螺钉的过大载荷，提高连接的承载能力；(3)对于单剪连接形式，宜采用多排钉连接，排距应尽可能大些，使偏心加载引起的弯曲 应力降到最小。(4)碳纤维树脂基复合材料的塑性很差，会造成多排紧固件连接载荷分配的严重均不允， 因此尽量采用不多于两排紧固件的多钉连结形式，钉孔布置应尽可能平行排列。(5)设计合理的斜削型连接可以改善多钉连接载荷分配的不均匀性，提高连接的承载能力,设计的关键是斜削搭接板厚度和紧固件直径的选择。六、复合材料结构设计基础1.复合材料产品设计：a性能设计(功能设计)

26、b结构设计：包括刚度、强度、稳定性计算 c工艺设计复合材料结构设计比金属结构更加强调材料性 能、结构设计与分析、制造工艺三个主要方面的 综合协调在产品设计时必须进行材料分析(选用几种组 分材料复合制成具有所要求性能的材料的过程)， 并选择合适的工艺方法， 材料/工艺/设计三者必须 形成一个有机整体。WQ% 事 ft#：.zL曜“K t_或讣*泡续伴mUH11.复合材料成型工艺比较与选择要强调设计与制造工艺的一体化，提高结构整体化.蒙皮、梁、墙、衍条等结构元素的的连接在材料形成的同时，采用共固化、共胶接、缝合和预成形织物等工艺实现。考虑产品外形构造及尺寸特点。产品尺寸精度和外观质量严格要求的大批

27、量、中小型产品，应选用模压成型；小批量大型产品，采用手糊成型；贮罐、压力容器、管道、飞机整体机身 段等具有回转截面形状产品采用纤维缠绕成型；几何形状规则，大小尺寸不变用拉挤成型。产品结构受力情况：单向受力杆件和梁采用拉挤成型；板壳构件采用连续纤维缠绕或手糊 成型；对载荷情况不是很清楚或承受随机载荷的产品用短切纤维模压或喷射成型工艺。采用高效的自动化成型技术，既可以降低成本，又能增加产出。飞机蒙皮、机翼壁板及尾翼壁板采用纤维自动铺放机进行复合材料预浸料铺层，机翼及机身长琦与蒙皮之间均采用共胶接工艺；壁板类构件目前采用成熟的热压罐固化成型工艺。满足材料性能和产品性能要求产品批量大小，供货时间长短工艺设备条件、流动资金及技术水平经济效益，选择成本-效率最好的成型工