复合材料结构设计

1、复合材料结构及其力学复合材料结构设计复合材料与结构研究所复合材料结构设计复合材料的连接复合材料层合板设计原则内容安排9-10：简单层板的宏观力学性能-3（正交各向异性简单层板的强度问题及二向强度理论）11-12：简单层板的微观力学性能-1（刚度的材料力学分析方法）13-14：简单层板的微观力学性能-2（刚度的弹性力学分析方法）15-16：简单层板的微观力学性能-3（强度的材料力学分析方法）内容安排1-2：复合材料定义、分类、特点及其典型结构和应用3-4：代表性增强相、基体性能及复合材料的力学行为5-6：简单层板的宏观力学性能-1（各向异性材料的应力-应变关系，正交各向异性材料的工程常数；正交各

2、向异性材料平面应力问题的应力-应变关系）7-8：简单层板的宏观力学性能-2（简单层板在任意方向上的应力应变关系，正交各向异性简单层板的不变量性质）内容安排17-18：层合板的宏观力学性能-1（经典层合理论、层合板刚度的特殊情况）19-20：层合板的宏观力学性能-2（层合板刚度的理论和实验的比较、层合板强度）21-22：层合板的宏观力学性能-3（层间应力、层合板刚度的不变量及其在设计中的应用）23-24：层合板的弯曲、振动与屈曲行为分析内容安排25-26：复合材料制备方法及其力学特点27-28：复合材料结构设计方法29-30：复合材料结构分析与软件31-32：热防护复合材料与热结构分析33-34

3、：复合材料结构可靠性性设计与分析方法35-36：复习要点、讨论及答疑777 Composite Primary StructureCertification复合材料的连接复合材料构件的发展方向是力求实现结构的整体性共固化、整体成形、减少连接件连接设计和分析是结构设计的重要内容之一复合材料结构连接部位的设计和强度分析具有与金属材料结构连接部位不完全相同的内容和特点有些方面与金属材料结构有着本质的差别影响复合材料连接强度的因素复杂，复合材料连接强度问题变得更复杂，解决其静强度和疲劳强度更为困难，必须予以足够的重视复合材料的连接强度问题具有较强的可设计性，不能让连接成为复合材料结构的薄弱环节复合材料

4、的连接复合材料本身有高的比刚度和比强度，但连接它们的普通材料却没有层合板全部强度与刚度往往不能由没有显著增强的连接来实现复合材料对连接造成的缺陷非常敏感连接或连接装置对复合材料的成功应用是关键的，主要形式胶接螺接组合共固化减少连接复合材料连接技术机械连接机械连接主要指螺栓连接和铆钉连接机械连接用于传递较高载荷或强调可靠性的部位胶接胶接适用于传递载荷较小的部位，尤其是适于受力不大的薄壁复合材料结构混合连接混合连接指胶铆或胶螺连接，它可以提高抗剥蚀、抗冲击、抗疲劳和抗蠕变等性能胶铆(螺)混合连接，增加重量和成本，较少采用机械连接螺栓连接广泛应用在承载能力较大和比较重要的受力构件上铆钉连接一般用在受

5、力较小的复合材料薄板上优点能传递大的载荷，抗剥蚀能力好便于检查质量、保证连接的可靠性在制造、更换和维修中可重复装配和拆卸对零件连接表面的准备及处理要求不高无胶接固化产生的残余应力受环境影响较小机械连接的缺点由于复合材料的脆性和层压板的各向异性，层压板制孔后，使连续纤维被切断，消弱了构件截面，导致孔周的局部应力集中，降低了连接效率为了弥补基本层压板制孔后强度下降的影响，层压板可能需局部加厚，使重量增加由于增加了制作的工作量，可能增加成本制孔工艺要求较高，操作要慢速平稳，否则会造成孔边大面积分层铝、钢紧固件与复合材料接触会产生电偶腐蚀，故需选用与碳复合材料电位差较小的材料制成的紧固件复合材料结构机

6、械连接特别关注复合材料结构连接的局部铺层顺序和方向、垫圈大小、螺母的拧紧力矩、孔的公差要在设计概念和方法上更新，在结构设计时必须考虑连接设计主承力连接区的关键部位一般采用多排螺栓连接复合材料结构连接部位的钉孔切断了纤维，导致孔边应力分布较复杂，加之复合材料本身属脆性材料，孔边的应力集中较严重，使得多排钉孔传力时的钉孔载荷分配更不均匀连接强度与材料、铺叠方式、载荷方向和环境影响等多种因素密切相关连接板的剪切强度不随端距增大而成比例增加连接的失效模式多而且预测强度较困难机械连接受力分析载荷从一块板通过螺栓传递到另一块板，螺栓承受剪切应力两板合力作用线不重合，接头在载荷作用下产生弯曲，紧固件承受拉应

7、力机械连接受力分析影响复合材料机械连接强度的主要因素材料参数 纤维的类型、取向及形式(单向带、编织布)、树脂类型、纤维体积含量及铺层顺序连接几何形状参数 连接形式(搭接或对接、单剪或双剪等)、几何尺寸(排距孔径、列距孔径、端距孔径、边距孔径、厚度孔径等)、孔排列方式影响复合材料机械连接强度的主要因素紧固件参数紧固件类型(螺栓或铆钉、凸头或沉头等)、紧固件尺寸、垫圈尺寸、拧紧力矩及紧固件与孔的配合精度。载荷因素载荷种类(静载荷、动载荷或疲劳载荷)、载荷方向环境因素温度、湿度、介质机械连接几何参数的定义和选择板宽、板厚度、端距、边距行距、列距、孔径间距和孔径比（S/d）主要影响复合材料机械连接的静

8、拉伸破坏强度随着S/d值的增加，机械连接的破坏形式从静拉伸逐渐过渡到挤压，其前提条件是端距足够大由于挤压是局部现象，进一步增加S/d值，对连接强度不会再有影响，反而会降低连接效率端距与孔径之比（e/d）主要影响复合材料机械连接的剪切强度机械连接几何参数的定义和选择一般情况下：碳/环氧和玻璃钢复合材料遵循以下原则机械连接破坏模式和措施连接设计以挤压强度为临界参数至少采用40的45的铺层在螺母下面加垫圈如有可能采用抗拉型凸头紧固件采用比铝结构更大的紧固件间距铝的S/D(间距/孔径4，碳纤维/环氧树脂的S/D(间距/孔径)5连接板加厚，以减少净应力机械连接破坏模式和措施采用比铝结构更大的端距铝的e/

9、D(端踞/孔径)=1.72碳纤维/环氧树脂的e/D (端距孔径)=34至少采用40的45铺层 至少采用10的90铺层机械连接破坏模式和措施沉头孔深度不应大于层压板厚度的0.6倍增加层压板厚度采用直径更大的紧固件采用高抗剪紧固件机械连接组合型破坏机械连接形式及其选择复合材料机械连接形式的选择连接设计宜采用双剪连接形式单剪形式的连接会产生附加弯曲而造成接头承载能力的减小和连接效率的降低，一般应尽可能避免不对称连接形式，如单剪形式，推荐采用多排紧固件紧固件的排距应尽可能大些，使偏心加载引起的弯曲应力降低到最小当用增加层压板局部厚度的方法增强不对称连接时，随板厚的增加，由偏心导致的附加弯曲应力也更大，

10、一定程度上抵消了材料厚度增加所起的作用复合材料机械连接形式的选择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不均，因此，如有可能尽量采用不多于两排紧固件的多钉连接形式多排紧固件连接钉孔的安排，应尽可能采用平行排列，避免交错排列，以提高连接强度，特别是疲劳强度。设计合理的斜削型连接可以提高连接强度，不合理的斜削形式的搭接连接的承载韵力反而比等厚度连接形式的还要差设计的关键是斜削搭接板厚度和紧固件直径的选择紧固件的选用和拧紧力矩要求紧固件直径紧固件直径的最佳选择应使其本身的剪切破坏与被连接复合材料的挤压破坏同时破坏机械连接区的铺层设计铺层比例是影响挤压强度的最重要的因素至少有

11、45%的45铺层和25%的0铺层90铺层的比例为10-25% 45铺层所占的比例对层合板的挤压强度具有重要的影响，可以改变孔边挤压应力的分布，随45铺层含量的增加，挤压强度相应增大，当45铺层含量较少、层合板主要由0度铺层组成时，极易引起剪切破坏或劈裂破坏机械连接区的铺层设计铺层顺序影响层板的层间剪切强度试验表明复合材料层板机械连接接头的挤压强度随0单层的层数增加而明显地线性减少层合板中相同方向的铺层应沿厚度方向尽可能地均匀分散，使相邻层夹角最小，以提高层间剪切强度，如果将45铺层置于层板外表面，可以改善层合板的压缩和冲击性能在连接区局部加厚，特别是对非常薄的层合板，以避免d/t4。为降低应力

12、集中，应在连接区孔周附近增加局部软化条带，即45铺层，铺设高强度玻璃纤维或芳纶纤维采用均衡对称铺层可以消除加热固化时因为复合材料沿纤维方向和垂直纤维方向的热膨胀系数不同所产生的内应力及由此产生的翘曲胶接特点胶接是借助胶粘剂将零件连接成不可拆卸整体的连接方法胶接的优点无钻孔引起的应力集中，不切断纤维，不减少承载横剖面积，连接质量轻、连接效率高抗疲劳、密封、减振及绝缘性能好有阻止裂纹扩展作用，破损安全性好能获得光滑气动外形，加载后永久变形小不同材料连接无电偶腐蚀问题胶接的缺点缺少可靠的无损检测方法，胶接质量控制比较困难胶接强度分散性大，剥离强度低，不能传递大的载荷胶接性能受湿、热、腐蚀介质等环境影

13、响大，存在一定的老化问题胶接表面在胶接前需作特殊的表面处理，工艺要求严格被胶接件间配合公差要求严，需加温加压固化设备，修补较困难胶接后不可拆卸与金属构件相比的特点金属胶接接头容易在胶层产生剥离破坏，而复合材料层间剪切强度低，易在连接端部层合板的层间产生剥离破坏由于复合材料与金属构件之间的热膨胀系数相差很大，在这两者胶接在高温固化后会产生较大的内应力和变形，因而尽量避免复合材料与金属构件的胶连接碳纤维复合材料胶接需特别关注碳纤维复合材料沿纤维方向的线膨胀系数很小，它与金属胶接时，由于热膨胀系数差别较大，在高温固化后会产生较大残余应力和残余变形。胶接连接设计时应尽量避开与金属件胶接(尤其是铝合金)

14、，必要时可采用热膨胀系数小的钛合金零件碳纤维复合材料层间拉伸强度低，它不像金属连接会在胶层产生剥离破坏，而易在连接端部层压板的层间产生剥离破坏对较厚胶接件，不宜采用简单的单搭接连接胶接由于具有连接效率较高的优点，在轻型航空器和飞机非主要承力结构上应用比较普遍，但如果设计得好也可传递较大的载荷胶接的基本破坏模式当被胶接件很薄，连接强度足够时，被胶接件发生拉伸(或拉弯)破坏当被胶接件较厚，但偏心力矩尚小时，易在胶层发生剪切破坏；当被胶接件厚到一定程度，胶接连接长度不够大时，在偏心力矩作用下，将发生剥离破坏对于碳纤维复合材料层压板，由于层间拉伸强度低，剥离破坏通常发生在层间(双搭接亦如此)剥离破坏将

15、使胶接连接的承载能力显著下降，应力求避免胶接的基本破坏模式被胶接件拉伸或弯曲破坏胶层剪切破坏胶层剥离劈裂破坏胶接连接设计优秀的胶接连接设计应使其胶接强度不低于连接区外边被胶接件本身的强度；否则，胶接连接将成为薄弱环节，使胶接结构过早破坏胶接连接设计应充分发挥胶层承受剪切能力很强的优点，根据最大载荷的作用方向，使所设计的胶接连接以剪切的方式传递最大载荷，而其他方向载荷很小，尽量避免胶层受拉力和剥离力应特别注意被胶接件热膨胀系数要匹配胶接连接设计一般原则选择合理连接形式，使胶层在最大强度方向受剪力防止发生剥离破坏尽可能减小应力集中力求避免连接端部层压板发生层间剥离破坏；尽可能避免胶层受到法向力，在

16、高温工作时，所选胶粘剂的热膨胀系数尽量与被胶接件相近承受动载荷时，应选低模量韧性胶粘剂工艺尽可能简单，降低制造成本胶粘剂的选择要求与被胶接件的相容性好，即粘接强度要高，不致在胶接件界面发生破坏在尽量低的温度下固化与被胶接件的热膨胀系数要接近环境影响应尽可能小有较好综合力学性能工艺性好，使用方便胶接的耐久性应高于结构所预期的寿命胶接连接方式胶接连接形式的选择当被胶接件比较薄(小于1.8mm)可采用单搭接对中等厚度板(L/t=30)，采用双搭接比较适宜当被胶接件很厚时，宜选用斜面搭接，其搭接角度在68度范围内可获得很高的连接效率所需角度非常小，工艺上很难实现对厚的被胶接件，通常采用阶梯形搭接。阶梯

17、形搭接具有双搭接和斜面搭接两种连接的特性，通过增加台阶数，使之接近于斜面搭接角，每一阶梯胶层接近纯剪状态，同样可获得较高连接效率胶接的几何参数胶接连接形式的选择混合胶接采用胶铆(螺)混合连接的目的一般是出于破损安全的考虑，想要得到比只有机械连接或只有胶接时更好的连接安全性和完整性在胶接连接中采用紧固件加强，可以阻止或延缓胶层损伤的扩展，提高抗剥离、抗冲击、抗疲劳和抗蠕变等性能有孔应力集中带来的不利影响应针对不同情况慎重考虑。一般仅适用于中等厚度板混合连接设计时应注意选用韧性胶粘剂尽量使胶接的变形与机械连接的变形相协调通常机械连接的变形总是大于胶接的变形(指面内变形)，要满足这一要求相当困难机械

18、紧固件与孔的配合要很精密如果胶层很脆，且紧固件与孔的配合又不够精密，那么连接试件的剪切变形就较大，将先引起胶层的剪切破坏，继而引起紧固件的剪切破坏或孔的挤压破坏，达不到预期的效果层合板设计概念和认识复合材料结构设计性能（功能设计）充分考虑最终制品的使用目的和使用条件，使设计出的产品具有与设计要求相符合的性能如风机叶片的气动性能、冷却塔的热工性能、天线罩的介电性能等结构（强度、刚度、稳定性设计）根据承受的载荷和使用环境工艺设计成型方便、成本低结构设计原则明确设计条件，确定设计情况，根据载荷情况选取设计载荷、设计温度。根据可靠性要求选取安全系数结构形式选定，根据载荷大小、开口大小、经济性及可靠性要

19、求，选定合理、可行结构形式材料设计：根据设计载荷、设计温度、经济性及成型工艺等选定较理想的纤维及树脂复合材料结构设计层合板层合板是复合材料结构的最基本的结构元件层合板是指有两层或多层不同的铺层通过树脂固化彼此粘结在一起构成的复合材料板层压板是最广泛的结构之一结构形式多样成形工艺方法多样可设计性强铺层设计是复合材料设计特有的重要内容，其目的是充分利用铺层的正交各向异性和结构的层合特性，通过优化设计，选取最佳的铺层角、铺层百分比和铺层顺序，以得到满足性能要求的最轻结构铺层设计的一般原则铺层设计：选取最佳的铺层角、铺层百分比和铺层顺序均衡对称的铺层原则：除了特殊需求外，在结构铺层设计中，应尽量采用对

20、称均衡铺层，铺层的增减变化也应是逐步的，以消除热变形翘曲和减小内应力铺层定向原则：在满足受力条件下，铺层方向数应尽可能少，以简化设计和施工的工作量。一般只选用0、45 、45 和90 4种铺层角。如果需要设计成准各项同性层合板，可采用0/45/90/-45s或60/0-60s层合板，缠绕成型不受45度限制，但要采用缠绕角铺层设计的一般原则铺层取向按承载选取原则：铺层的纤维轴向应尽可能与内力的拉、压方向一致，最大限度地利用纤维轴向具有高强度和刚度的特性以受拉、压为主的构件，应以纤维铺设方向与载荷方向一致居多为主双向拉伸或压缩载荷，纤维方向按0/90正交铺设以受剪为主的构件，应以45铺层居多为主，

21、尽量成对采用45 ，45 铺层对于以局部失稳为设计情况的构件，应该把45铺层尽可能铺到远离结构中性层的位置上，即两侧表面铺层设计的一般原则铺层顺序原则：应使各定向单层尽量沿层合板厚度方向均匀分布，避免将同以铺层角的铺层集中放置，连续相同的铺层尽量不超过2个。以减少两种定向层之间的定向开裂和边缘分层，相邻铺层纤维的交叉排列，有利于固化过程中树脂和气泡流动，有利于保证铺层厚度均匀和纤维方向的准确性，并改善铺层的工艺性如果层合板中含有45和0/90铺层，应尽量在45和-45 铺层之间铺设0或90层，同样在0或90层之间也希望用45层分隔，降低层间应力复合材料零件的表面尽量采用土45 铺层，以便具有较

22、好的使用维护性，增加稳定性和耐冲击性 铺层设计的一般原则铺层最小比例原则：由0、90、45铺层组成的结构，任意铺层角的铺层，其最小铺层百分比应大于或等于6%10%从结构稳定性、减少泊松比和热应力及避免树脂直接受载考虑，应最少三种不同纤维铺设角同一铺层角的铺层不宜过多集中在一起，超过4层易出现分层铺层设计的一般原则冲击载荷区设计原则：对于承受集中冲击部位，应进行局部加强，应有足够的纤维铺层在层合板的冲击载荷方向，已承受局部冲击载荷，还要配置一定数量与载荷方向45的单层，以便于将集中载荷扩散连接区的铺层设计原则应使与钉载方向成45的铺层百分比大于或等于40%，与钉载方向一致的铺层百分比大于25%，

23、其目的是保证连接处有足够的剪豁强度和挤压强度，同时亦有利于载荷扩散和改善应力集中铺层设计的一般原则变厚度设计原则在必须改变层合板厚度（刚度变化）的部位，应该按阶梯状逐渐变化厚度的突变会引起应力集中，由于这些部位容易分层而引起结构破坏，所以应当避免突起，在表面铺设连续覆盖层以防剥离铺层递减，厚度变化应有过渡区。层数递减每次不应超过2层，错开长度510mm，以保持表面光顺，并使经过递层处的纤维变化平缓，从而不致引起递层处树脂聚集，同时还可简化模具型面，和与之配合零件外形的贴合变厚度薄板中不同厚度铺层的刚度应足以承受固化时树脂收缩形成的压缩应变，否则可能在截面厚度变化处造成失稳或板件折断铺层设计的一

24、般原则铺层设计的一般原则开孔区铺层原则开孔应尽量采用圆孔，引起较小的应力集中若必须采用矩形孔，则拐角处要采用半径较大的圆角，以避免开裂，开孔时切断纤维数应尽可能少在结构开口区应使相邻铺层的夹角小于60度，提高层间剪切强度铺层设计的一般原则在梁、桁、框及筋条的突缘部位，应布置较大比例的0铺层及一定数量的15铺层以提高轴向强度和刚度，但突缘存在局部失稳时，也需铺设一定数量的45层铺层设计工艺性考虑由于单纤维具有一定的半径，所以无法沿尖角贴合铺层应采取大的圆角半径，圆角半径值取决于材料（纤维种类）、制造工艺和固化工艺尖角会引起应力集中、分层，并最后使层合板破坏圆角半径过小，可能会引起拐角处发生纤维拉

25、断、架桥和树脂堆积等制造缺陷层压零件的最小圆角半径的经验公式Rmin=1+0.1n（n圆角处的层数）热压罐成形零件合适的圆角半径阳模铺贴rt rmin=1.5mm阴模铺贴R2t Rmin=2+tRTM成形的零件rmin=3-5mm铺层设计工艺性考虑热压罐成形铺层设计工艺性考虑下陷复合材料层合板下陷过渡区存在偏心力矩，下陷越深，力矩越大尽可能避免下陷推荐下陷参数C=5h, f=2.5mm铺层设计工艺性考虑为了便于成形后从模具内取出零件，防止零件表面损伤，零件内外表面应具备脱模斜度，脱模角1-3（一般为2），零件复杂，可适当增加脱模斜度铺层设计工艺性考虑实际使用厚度最小厚度0.6-0.8mm最大厚

26、度没有限制，但每次固化一般只允许6-8mm，否则会产生不利的放热反应无纬布厚度一般应为0.125mm，以便增加铺层层数，提高层间剪切强度，更利于铺层的优化设计，对承载能力要求低的结构可使用0.15或0.18mm的无纬布层压结构件工艺性考虑封闭式结构，为方便模具装卸，应在受力小的部位设计适当的工艺孔；为考虑复合材料结构与模具热膨胀系数的差异，结构应考虑模具变形补偿。结构中不可展型面，应有缺口补偿设计和搭接裁剪设计。壁厚大于7.5mm的制件，应选用不吸胶的预浸料及相应的制造工艺参数。也可以采用次分层预吸胶工艺层压结构件工艺性考虑对复杂外形的结构，在外形变化区应光滑过渡，并用织物代替单向带以减少变化

27、区内的纤维劈裂。复合材料结构内外表层最好采用薄的碳布(或玻璃布)，以便保证复合材料表层在卸模、预装、制孔及搬运中纤维不劈裂。只能有一个结构装配基准，其他尺寸如有协调要求，应有补偿的方法。 层压结构件工艺性考虑连接部位设计工艺性考虑胶粘剂选择 复合材料结构件与金属零件一般在常温下进行胶接。小尺寸的金属镶嵌件可采用中温或高温胶接，但应充分研究热胀系数不同所带来的影响，不至引起分层，胶接结构中的金属连接件 复合材料与金属的膨胀系数有很大差异，固化前应尽量减少参与胶接的钣金件和金属机加件中机械连接件数量，同时考虑连接定位方式，留有各金属件伸缩的自由度，以免损坏复合材料构件。剩余的连接件，固化后再行连接

28、 复合材料飞机结构设计要求一般要求一般要求：复合材料飞机结构设计要求基本与金属飞机结构相同，在满足有关规范(军机)或适航条例(民机)的前提下，还应考虑下列各项要求复合材料结构一般采用许用应变设计，设计时应注意复合材料在性能、失效模式、耐久性、损伤容限、制造工艺、质量控制等方面与金属材料有较大差异，都应保证结构在使用载荷下有足够的强度和刚度，在设计载荷下安全裕度应大于零 复合材料飞机结构设计要求一般要求在确定复合材料结构设计许用值时，必须考虑环境对材料性能影响，环境因素主要是温度、湿度以及在生产使用中可能出现的最大不可见冲击损伤 复合材料结构的安全水平，不能低于同类金属结构 复合材料结构中，应特

29、别注意防止与金属零件接触时的电偶腐蚀 复合材料飞机结构设计要求一般要求对飞机某些部位的复合材料结构，如整体油箱、设备舱等处，由于复合材料的导电性能远不如金属材料高，必须进行防静电、防雷击和电磁兼容设计与试验验证，以满足飞机的要求 应尽量将复合材料结构设计成整体件，并采用共固化或二次固化、二次胶接技术，以利减重和提高产品质量，但应注意共固化引起的结构畸变和胶接质量问 静强度设计要求 部件结构静强度分析与试验验证时，应保证在使用载荷作用下结构不产生有害的变形和损伤；在设计载荷作用下结构不出现总体破坏应通过设计载荷下的部件试验程序来验证复合材料结构的静强度、符合设计准则的程度和可能的强度储备。仅当有

30、处理过类似设计、材料体系和载荷状况的经验时，才允许采用由组合件试验或使用载荷下的部件试验所支持的分析方法来验证对安全裕度大的复合材料结构，可通过由试样、元件和组合件试验结果支持的分析来验证静强度设计要求复合材料结构的特殊要求 对铺层的强度计算应采用已经验证的失效准则当结构使用温度范围很宽或复合材料性能在不同温度下变化较大时，应力分析用性能数据可以按结构使用温度划分温度区间，材料弹性常数取相应温度区间内的平均值，强度计算用相应温度区的许用值刚度设计要求结构在使用载荷作用下不允许产生有害的变形和损伤。最大变形不应妨碍飞机的正常操纵，并不得影响规定的气动特性和严重改变载荷或内力的分布，不允许结构出现

31、永久变形和局部失稳应充分利用复合材料铺层的可设计性，通过合理地选取铺层角、铺层比和铺层顺序，以最小的质量达到满意的刚度。弹性常数可选取对应温度区间的典型值耐久性设计要求飞机结构的经济寿命(现在也有人称之为耐久性使用寿命)必须大于设计使用寿命。在设计使用寿命期内，飞机结构不允许出现会产生下列问题的开裂、分层、脱胶、变形或缺陷为了保证结构安全而需进行修理、更换和检查干扰飞机的机械操作；影响飞机的气动特性；产牛功能性障碍在稳态飞行或地面运输条件下引起裂纹分层的持续扩展。飞机结构的耐久性使用寿命必须进行试验验证耐久性设计要求复合材料结构的特殊要求冲击损伤源 在设计时必须考虑使用引起的损伤(如低能量冲击

32、损伤、维护和搬运引起的损伤等)，研究它对修理、维护和功能可能产生的影响，并证实外表面目视不易检出的损伤不会影响其耐久性，即在正常的使用环境下不会出现昂贵的维护问题。为此要分析结构可能遇到的使用与维护环境，编制典型的损伤源复合材料结构设计，应保证在严重环境条件下2倍设计使用寿命的试验期间，上述冲击源不会在结构上产生许经常检测和大量修理的损伤耐久性设计要求复合材料结构的特殊要求重复的低能量冲击要研究重复的低能量冲击对结构耐久性的影响。冰雹撞击、工具掉落或由于踩踏引起的损伤可能是目视不可检的，若在某一区域内的反复冲击可能会影响结构的耐久性。应根据可能遇到的损伤类型划分结构区域，并在研制试验程序中评定

33、这些区域耐久性对损伤源的敏感性如果在研制试验中证实某一区域的耐久性对重复冲击损伤源是敏感的，则应在全尺寸试验件上模拟这种损伤，并验证这种损伤的影响损伤容限设计要求损伤容限要求含缺陷的结构在规定的使用期内应有足够的剩余强度缺陷尺寸假设缺陷包括初始缺陷和使用损伤初始缺陷包括3种类型，即冲击损伤、分层和划伤使用损伤尺寸假设 使用损伤系指鸟撞等高能量外来物冲击及雷击产生的目视易检损伤。这种损伤尺寸假设应由试验或由试验支持的分析方法确定损伤容限设计要求损伤扩展要求通常将复合材料结构归为缓慢“裂纹”扩展结构，为此可采用两种设计概念，即损伤无扩展概念和损伤扩展概念损伤无扩展概念 ：损伤无扩展应通过由试验支持

34、的分析或由试样、元件或结构件的疲劳试验来验证。损伤无扩展循环数应考虑复合材料的疲劳分散性，试验还应考虑环境的影响。若采用损伤无扩展设计概念的结构，在规定的检查间隔内出现明显的缺陷损伤扩展时，必须更改设计损伤容限设计要求损伤扩展概念 采用损伤扩展概念设计的前提条件是对可能出现的每种缺陷损伤类型，有在使用载荷谱下可靠的扩展特性数据。同时给出这一扩展规律的统计变异性，并能证实所给出的检测方法足够可靠多个缺陷损伤考虑与一有效的较大缺陷损伤相互有影响的多个缺陷损伤能引起相邻结构区破坏或部分破坏的多个缺陷损伤相邻缺陷损伤会引起载荷重新分布的影响区有较高应力应变水平的结构区，以致会引起同时发生多处破坏或引起

35、逐渐破坏胶接接头的损伤容限专用条件安全系数的考虑安全系数表示结构可能受到的最大载荷与构件所能发挥的最小强度的比值是一个设计系数保证设计的结构有一定的剩余强度安全系数的选取载荷是根据实际工程需要确定的，载荷计算越准确，载荷分散性越小，就有理由选取较小的安全系数复合材料强度方面的特点是性能数据分散性较大，损伤形式多：有基体开裂、界面脱胶、分层和纤维断裂等等，同时各种损伤形式的出现与施加外力密切相关安全系数的考虑计算模型与实际结构的符合程度及计算方法的准确性简化的合理程度有限元程序的适用性可靠性试验数量的多少及是否有类似结构的承载能力试验安全系数的确定传统的安全系数可靠性安全系数安全系数的取值范围1

36、.5-2.01.4-1.5安全系数的考虑复合材料结构设计结构破坏（或结构失效）或广义强度：刚度破坏（稳定性、位移等）强度破坏许用值疲劳破坏许用值基准A基准值：95%置信度，99%的可靠性概率确定的性能值不进行试验的结构B基准值：95%置信度，90%的可靠性概率确定的性能值复合材料结构设计多采用许用值的确定金属结构设计时塑性材料采用屈服极限应力脆性材料采用强度极限应力复合材料层合板采用应变方式给出设计许用值比较合理确定许用值必须考虑环境因素影响温度、湿度等使用许用值确定拉伸时使用许用值的确定，取有下述三种方法的最小值按有关标准的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

37、，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，测定其基体不出明显微裂纹所能达到的最大应变值，经统计分析得出使用许用值按有关标准的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，经统计分析得出使用许用值使用许用值确定压缩时使用许用值的确定，取有下述三种方法的最小值低速冲击后试样在环境条件下进行单轴压缩试验，测定其破坏应变，并除以安全系数，经统计分析得出使用许用值带销开孔试样在环境条件下进行单轴压缩试验，测定其破坏应变，除以安全系数，经统计分析得出使用许用值低速冲击后试样在环境条件下进行压缩两倍疲劳寿命试验，测定其所能达到的最大应变值，经统计分析得出使

38、用许用值使用许用值确定剪切时使用许用值的确定，取有下述两种方法的最小值45层合板试样在环境条件下进行反复加载卸载的拉伸或压缩试验，并逐渐加大峰值载荷的量值，测得无残余应变下的最大剪应变值，经统计分析得出使用许用值45层合板试样在环境条件下经小载荷加卸载数次后，将其单调地拉伸破坏，测定其各级小载荷下的应力应变曲线。并确定线性段的最大剪应变值，经统计分析得出使用许用值设计许用值的确定设计许用只是在环境条件下的材料破坏试验结构进行数量统计后给出的环境实验条件包括使用温度上限和1%水分含量的联合情况对破坏实验结果进行分布检查（韦伯分布还是正态分布），并按一定的可靠性要求（A基准值还是B基准值）给出设计

39、许用值发展非确定设计方法通过安全系数覆盖不确定性因素1.5-4.0非确定性方法确定性方法载荷制造分析衰变概率性能、载荷、环境失效概率与可靠度定量分析减小安全系数冗余保障结构安全提高结构效率F16: 1.32, EF2000: 1.4层合板设计的成本考虑A310复合材料垂尾研制成本层合板设计的成本考虑复合材料结构先进设计方法先进复合材料结构设计技术发展复合材料力学性能深入认识复合材料设计使用经验积累现代计算和试验技术发展满足适航基本要求先进分析/验证方法、设计理念和流程复合材料性能预测1996年美国五个专业委员会提出的用于下一代民用运输机的新材料报告，强调复合材料失效预测的困难：复合材料内部结构

40、复杂应力状态的确定与载荷历程相关的损伤机理工艺过程中产生的残余应力问题确定复合材料损伤机理及相应失效准则复合材料性能预测2001年美国开展的Accelerated Insertion of Materials计划主要工作包括：建立基于物理模型的损伤判据，构建多尺度分析模型使设计者可以考虑包括材料微观特性，工艺影响在内的材料性能，对损伤和损伤扩展进行可靠预测复合材料性能预测2005年NASA修改了航空研究发展计划，提出“基础航空学”发展规划。要求发展第二代预测和分析工具。其中包括物理机理和建模能力研究工作美国2007年开始的为期10年的Aviation Safety Program 中强调复合材

41、料结构强度及寿命预测的重要性，发展基于物理模型的材料性能和材料损伤预测分析方法，以及复杂载荷下三维损伤准则复合材料性能预测复合材料失效准则建立和发展细观力学原理：组分材料、界面特性及缺陷影响基于物理模型：破坏机理、破坏模式及控制因素考虑工艺因素：工艺缺陷、残余应力、固化状态、组分材料比例误差分析控制：模型简化、多种破坏模式、材料性能和工艺稳定性复合材料结构设计分析及试验验证先进复合材料设计方法结构性能模拟分析越来越重要传统积木式设计方法建立大量试验基础上，需大量财力和时间先进结构设计方法试验支持的模拟分析结果，快速、高效复合材料结构设计分析及试验验证试验支持分析方法确定许用值方案复合材料结构设

42、计分析及试验验证跨尺度复合材料结构分析方法某型号研制不同方法对比结果复合材料结构设计分析及试验验证复合材料结构非确定性设计分析方法确定性方法中的问题：通过安全裕度覆盖不确定性以保证结构安全同时考虑不同不利因素叠加，结构设计保守无法对结构可靠性进行准确评估复合材料结构非确定性设计分析方法复合材料结构非确定性设计分析方法NASA、Boeing、Airbus等机构对此开展了大量研究，非确定性分析方法受到重视。非确定性分析方法对复合材料性能、本征缺陷、环境条件、以及缺陷/损伤位置、严重程度、发生概率及其对性能影响等非确定性变量进行统计学特征描述和概率分级，以此确定各变量的影响度、出现频率和极限值。更科

43、学地确定结构设计许用值，通过结构可靠性分析，使整个飞机达到统一的安全效率水平。复合材料化需思考的问题1 原材料：碳纤维立足国内，自主研发，势必面对国际市场竞争,源头上决不能受制于人基体原材料技术及其应用研究原材料技术及其应用研究开发高性价比大丝束纤维和树脂进一步向低成本化发展国产碳纤维质量与性能原材料技术及其应用研究原材料技术及其应用研究原材料技术及其应用研究原材料技术及其应用研究开发高性价比大丝束纤维和树脂开发高性价比大丝束纤维和树脂进一步向低成本化发展进一步向低成本化发展国产碳纤维质量与性能进一步提高国产碳纤维质量与性能大飞机结构应用评价演化控制转化碳纤维应用基础研究材料韧性湿热性能复合材料化需思