复合材料设计原理课件

第4章复合材料

设计原理第4章复合材料

设计原理4.1复合材料的可设计性复杂性灵活性刚度强度制造工艺4.1复合材料的可设计性复杂性灵活性刚度强度制造工艺（1）各向异性

正交各向异性

纵向（L）横向（T）各向同性材料工程弹性常数：E、μ(G)正交各向异性工程弹性常数：性能是一点方向的函数

复合材料力学性能特点（1）各向异性纵向（L）各向同性材料工程弹性常数：E、μ(（2）非均质性性能是位置的函数各向异性和非均质性导致耦合变形和高温固化翘曲变形非均质性还将构成复合材料力学性能的其它一些特性（2）非均质性性能是位置的函数各向异性和非均质性导致耦合变形拉弯耦合

拉剪耦合变形复杂性－耦合变形拉弯耦合拉剪耦合变形复杂性－耦合变形弯扭耦合各向同性材料强度指标1个：（塑性材料）（脆性材料）正交各向异性强度指标5个：屈服强度极限强度弯扭耦合各向同性材料强度指标1个：（塑性材料）复合材料设计原理课件（3）层间强度低bh（3）层间强度低bh4.1.2复合效应一次函数y=kx+b叫线性函数,它的图象是一条直线。

非一次函数(如y=x2,

y=k/x,

y=sinx...)都叫非线性函数,它们的图象都不是直线。线性指量与量之间成正比关系非线性指量与量之间成曲线关系线性效应非线性效应4.1.2复合效应一次函数y=kx+b叫线性函数不同复合效应的类别不同复合效应的类别串联模型并联模型基体增强体是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。4.1.2.1平均效应串联模型并联模型基体增强体是复合材料所显示的最典型的一种复合ρc＝ρmVm+ρfVfEc=EmVm+EfVfKc—材料性能；Vi—为组分材料的体积分数；c—复合材料；m—基体；f—增强体（功能体）Kc=∑KiVi（并联模型）1/Kc

=∑Vi/Ki（串联模型）Knc=∑KniViρc＝ρmVm+ρfVfKc—材料性能；Kc=∑KiVi（并复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的性质，既无制约，也无补偿。玻璃纤维增强环氧树脂复合材料与环氧树脂的耐腐蚀性能基本相当4.1.2.2平行效应复合材料的各组分在复合材料中，均保留本身的性质，既无制约，也组成复合材料的基体与增强体，在性能上互补，弥补各自的缺点，从而提高了综合性能。4.1.2.3相补效应适宜的结合脆性的高强度纤维增强体韧性基体组成复合材料的基体与增强体，在性能上互补，弥补各自的缺点，从基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体性能提高，则复合后显示出相抵效应。4.1.2.4相抵效应脆性断裂界面结合很强脆性的纤维脆性陶瓷基体基体与增强体组成复合材料时，若组分间性能相互制约，限制了整体（X/Y）·（Y/Z）＝X/Z

两种具有转换功能的组分复合在一起，有可能产生新的功能。4.1.2.2非线性效应（1）相乘效应（X/Y）·（Y/Z）＝X/Z两种具有转换功能的组分复合表4-1复合材料的乘积效应表4-1复合材料的乘积效应复合石墨粉高聚物变形-电阻效应热致变形自控发热体复合石墨粉高聚物变形-电阻效应热致变形自控发热体在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。（2）诱导效应例如：结晶的纤维增强体对非晶基体的诱导结晶或基体的晶形取向作用。在一定条件下，复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组202021涤纶纤维增强聚丙烯复合材料横晶球晶21涤纶纤维增强聚丙烯复合材料横晶球晶（3）系统效应红、黄、蓝三色组成的彩色世界涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和指将不具备某种性能的诸组分通过特定的复合状态复合后，使复合材料具有单个组分不具有的新性能。（3）系统效应红、黄、蓝三色组成的彩色世界指将不具备某种性能它是指某一组分A具有一系列性能，与另一组分B复合后，能使A组分的大多数性能受到较大抑制，而使其中某一项性能在复合材料中突出地发挥。又称强选择效应。（4）共振效应利用这种效应，可以根据外来的工作频率，改变复合材料固有频率而避免材料在工作时引起的破坏。对于吸波材料，同样可以根据外来波长的频率特征，调制复合材料频率，达到吸收外来波的目的。它是指某一组分A具有一系列性能，与另一组分B复合后，能使A组例如，有关领域要求导电而不导热的材料，就是通过选择组元和复合状态，在保留导体组元导电性的同时，抑制其导热性而获得的特殊功能材料。共振效应在阻尼减振和电磁波吸收复合材料的研究和设计中获得利用。例如，有关领域要求导电而不导热的材料，就是通过选择组元和复合4.2材料的设计目标和设计类型4.2.1材料的使用性能和设计目标①力学性能②物理性能③化学性能性能要求约束条件4.2材料的设计目标和设计类型4.2.1材料的使用性能和4.2.2复合材料的设计类型安全设计单项性能设计等强度设计等刚度设计优化设计4.2.2复合材料的设计类型安全设计单项性能设计等强度设计复合材料是一种结构材料一次结构二次结构三次结构4.3.1复合材料结构设计过程复合材料是一种结构材料一次结构二次结构三次结构4.3.1复合复合材料设计原理课件复合材料设计原理课件复合材料设计的基本步骤以确保结构的强度与刚度复合材料设计的基本步骤以确保结构的强度与刚度（1）明确设计条件：性能要求，载荷要求，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，复合材料层合板的设计。（3）结构设计:典型结构件（杆、梁、板、壳）的设计等，以及复合材料（衍梁、钢架）的设计。结构设计的步骤：（1）明确设计条件：性能要求，载荷要求，环境条件，形状限制等①结构所能承受的各种载荷，确保使用期内的安全②对结构形状和尺寸的限制，提供附件的空间③

隔绝外界的环境状态而保护内部物体2.复合材料结构设计条件（1）性能要求①结构所能承受的各种载荷，确保使用期内的安全2.复合材料结构结构的性能飞机火箭、船舶、车辆结构质量化工装置耐腐蚀性雷达罩、天线电磁性能防雷击飞行器结构的性能飞机火箭、船舶、车辆结构质量化工装置耐腐蚀性雷达罩例如，风扇叶片由于旋转式的惯性力将引起拉应力（2）载荷情况静载荷动载荷瞬时作用载荷冲击载荷交变载荷例如，风扇叶片由于旋转式的惯性力将引起拉应力（2）载荷情况静在静载荷作用下结构应具有足够的强度和刚度；在冲击载荷下要求结构有一定的韧性；交变载荷下要求结构有耐疲劳性能。在静载荷作用下结构应具有足够的强度和刚度；a力学条件：加速度、冲击、振动、声音等b物理条件：压力、温度、湿度等c气象条件：风雨、冰雹、日光等d大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等（3）环境条件影响结构的强度和刚度影响结构的腐蚀、磨损、老化等a力学条件：加速度、冲击、振动、声音等（3）环境条件影响结构（4）结构的可靠性和经济性可靠性是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可靠度。结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。（4）结构的可靠性和经济性可靠性是指结构在所规定的使用寿命内成本可靠性总成本初期成本维修成本总成本最低时的可靠性最为合理结构设计的合理性最终主要表现在可靠性和经济性两方面成本可靠性总成本初期成本维修成本总成本最低时的可靠性最为合理4.3.3材料设计原材料选择单层性能的确定层合板设计4.3.3材料设计原材料选择4.3.3.1原材料选择原则①比强度、比刚度高的原则②材料与结构的使用环境相适应的原则③满足结构的特殊性能要求的原则④满足工艺性要求的原则⑤性价比高的原则4.3.3.1原材料选择原则①比强度、比刚度高的原则①结构透波、吸波

②结构的高刚度

③结构有高的抗冲击性

④结构低温工作性能

⑤结构尺寸稳定性⑥既高强度又刚度4.3.3.2纤维选择E或S玻璃纤维、开芙拉纤维、氧化铝纤维高模量碳纤维或硼纤维玻璃纤维或开芙拉纤维碳纤维开芙拉纤维或碳纤维碳纤维或硼纤维①结构透波、吸波

②结构的高刚度

③结构有高的抗冲击性

④结按比强度、比刚度和性价比选取各种丝纤维的比强度、比刚度、性价比和断裂伸长率按比强度、比刚度和性价比选取各种丝纤维的比强度、比刚度、性价4.3.3.3基体选择按使用环境条件选材按照所要求的性能选材按制品的受力类型和作用方式选材按使用对象选材按用途分类选材4.3.3.3基体选择按使用环境条件选材2.单层性能的确定单层的刚度单层的强度单层的三维应力应变关系正轴刚度偏轴刚度2.单层性能的确定单层的刚度正轴刚度弹性对称面1、2、3－主方向弹性对称面1、2、3－主方向单层树脂含量的确定Mf—分别为纤维、树脂的质量百分比；ρf,，ρm—分别为纤维、树脂密度

Vf——纤维体积含量单层树脂含量的确定Mf—分别为纤维、树脂的质量百分比；一般来讲纤维体积份数在0.4-0.7Vf太小，达不到增强基体的效果，反而因纤维的存在和断裂消弱了基体的强度Vf太大，超过0.785后，对正方点阵排列纤维来说，彼此接触，对随机排列来说纤维密集，基体的粘结作用变得很差，材料脆性增大，断裂韧性明显下降一般来讲纤维体积份数在0.4-0.7单向排布连续纤维增强复合材料单向排布连续纤维增强复合材料＋＋＋＋单层板的刚度单层板的刚度纤维1121LL基体基体刚度的材料力学分析方法EL的确定：混合率表达式与试验的吻合程度80-90%并联模型纤维1121LL基体基体刚度的材料力学分析方法EL的确刚度的材料力学分析方法纤维221基体基体2WET的确定：串联模型与试验值相比，较小，由于纤维随机排列，兼有串联和并联的成分刚度的材料力学分析方法纤维221基体基体2WET的确定：正交层的工程弹性常数公式正交层的工程弹性常数公式1.各向同性材料

塑性材料－屈服极限σs脆性材料－强度极限σb2.正交各向异性单层Xt

－纵向拉伸强度Xc

－纵向压缩强度Yt

－横向拉伸强度Yc

－横向压缩强度S－面内剪切强度单层的强度1.各向同性材料塑性材料－屈服极限σs2.正交各向异性单（3）强度的预测公式纵向拉伸强度公式：

σfmax—纤维最大拉伸应力；σmmax—基体最大拉伸应力

(σa)εfmax—基体应变等于纤维最大拉应变时应力

Vf—

纤维体积含量；Vfmax—强度由纤维控制的最小纤维体积含量（3）强度的预测公式纵向拉伸强度公式：σfmax—纤维最大fmaxfmaxfmaxfmax基体控制纤维控制复合材料的强度（最大复合材料应力）作为纤维体积含量的函数给出基体控制纤维控制xt两式连立可得到纤维控制复合材料强度所需的最小纤维体积含量Vfmax基体控制纤维控制复合材料的强度（最大复合材料应力）作为纤维体纵向压缩强度公式：

Ef—纤维弹性模量；Gm—基体剪切弹性模量

Em

—基体弹性模量；Vf—

纤维体积含量；纵向压缩强度公式：Ef—纤维弹性模量；Gm—基体剪切弹性模单层的失效准则失效准则应该满足下列几项要求：①失效准则应具有明确的物理意义，它在应力空间所确定的曲面必须是有界；②失效准则中的材料常数应该可以用最简单的实验来确定，且数量最少；③失效准则应尽可能简单，便于使用；④失效准则同实验结果能满意的相符。复合材料强度准则要更解决的问题——利用可以确定的几个单向基本强度，判定复合材料在偏轴状态和各种应力组合状态下的强度。进行复合材料的组合应力实验是相当困难的。单层的失效准则失效准则应该满足下列几项要求：复合材料强度准则（1）最大应力准则式中，工作应力为代数值，基本强度为绝对值。上述表达式左边的量都小于右边的量，则表示单层未失效；只要满足式（2-58）中任何一个，则认为材料已经失效。未考虑各应力分量对材料强度的相互影响。当作用应力在偏轴向，必须转换到正轴向。t（1）最大应力准则式中，t1例：考虑单向纤维单层板，假设强度为：其应力场为：最大主应力低于最大强度，但2比Y大，在2方向上破坏。正交各向异性材料强度随方向不同变化；拉伸和压缩失效的机理不同；面内剪切强度也是独立的。21例：考虑单向纤维单层板，假设强度为：其应力场为：最大主应力2.最大应变失效准则最大应变失效准则认为复合材料在复杂应力状态下进入破坏的主要原因是材料各正轴方向的应变值达到了各基本强度值所对应的应变值，其失效准则为线弹性假设

最大应变准则考虑了另外一个弹性主方向应力的影响。2.最大应变失效准则最大应变失效准则认为复合材料在复杂应力3.蔡－希尔（Tsai－Hill）失效准则Mises屈服准则为单轴下的屈服极限F、G、H、L、M、N－各向异性系数将六个基本强度X,Y,Z,S23,S31,S12代入求各向异性系数3.蔡－希尔（Tsai－Hill）失效准则为单轴下的屈服极2-3平面为各向同性面1.将X、Y、S联系在一个方程中，充分考虑到他们之间的相互作用；2.对拉压强度不同的材料，失效准则不能用同一个表达式同时表达拉压应力两种情况。

2-3平面为各向同性面1.将X、Y、S联系在一个方程中，充分4.霍夫曼失效准则对拉压强度不同的材料，用同一个表达式同时给出。4.霍夫曼失效准则对拉压强度不同的材料，用同一个表达式同时5.蔡－胡（Tsai－Wu）失效准则

对于平面应力状态下的正交各向异性单向板（或单层可以简化为对于平面应力状态下的正交各向异性单向板（或单层可以简化为5.蔡－胡（Tsai－Wu）失效准则对于平面应力3.复合材料层合板设计3.复合材料层合板设计铺层的取向铺设顺序各定向层相对于总层数的百分比和总层数。复合材料层合板设计通常又称为铺层设计。层合板设计原则铺层的取向层合板设计原则单向及准各向同性板的铺层结构单向及准各向同性板的铺层结构①铺层定向原则在满足受力的情况下，铺层取向数应尽量少，以简化设计和施工的工作量。一般多选择0°90°

和

±45°4种铺层方向。②均衡对称铺设原则除了特殊需要外，结构一般均设计成均衡对称层合板形式，以避免拉-剪、拉-弯耦合而引起固化后的翘曲等变形。

(1)层合板设计的一般原则①铺层定向原则(1)层合板设计的一般原则③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，以最大限度利用纤维轴向的高性能。④铺层最小比例原则为使复合材料的基体沿各个方向均不受载，对于由方向为0°、90°、±45°铺层组成的层合板，其任一方向的最小铺层比例应大于6%-10%

。

(1)层合板设计的一般原则③铺层取向按承载选取原则(1)层合板设计的一般原则⑤铺设顺序原则A：应使各定向单层尽量沿层合板厚度均匀分布，避免将同一铺层的铺层集中放置。如果不得不使用时，一般不超过4层，以减少两种定向层的开裂和边缘分层B：如果层合板中含有±45°层、0°层和90°层，应尽量在+45°层和-45°层之间用0°层或90°层隔开，在0°层和90°层之间用+45°层或-45°层隔开，以降低层间应力。(1)层合板设计的一般原则⑤铺设顺序原则(1)层合板设计的一般原则复合材料设计原理课件⑥冲击载荷区设计原则冲击载荷区层合板应有足够多的0°，也要有一定的45°，必要时要进行局部加强，以确保足够的强度。⑦防边缘分层破坏原则沿边缘区包一层玻璃布，以防止边缘分层破坏。⑥冲击载荷区设计原则⑧抗局部屈曲设计原则对于有可能形成局部屈曲的区域，将±45°尽量铺设在层合板的表面，可提高局部屈曲强度。

⑨连接区设计原则应使与载荷方向成±45°的铺层比例≥40%，与载荷方向一致的铺层比例大于30%，以保证连接区有足够的剪切强度和挤压强度，同时也有利于扩散载荷和减少孔的应力集中。

⑧抗局部屈曲设计原则复合材料设计原理课件⑩

变厚度设计原则在结构变厚度区域，铺层数递增或递减应形成台阶逐渐变化，因为厚度的突变会引起应力集中。要求每个台阶宽度大于或等于2.5mm。为防止台阶处剥离破坏，表面应由连续铺层覆盖层。⑩变厚度设计原则复合材料设计原理课件即用传统钢制部件的结构和性能做为复合材料部件的设计标准。（2）等代设计法各向同性各向异性金属材料的破坏为塑性变形主导的屈服破坏属于多尺度渐进式韧性破坏即用传统钢制部件的结构和性能做为复合材料部件的设计标准。（2等待设计中供选择参考的层合板结构形式等待设计中供选择参考的层合板结构形式是基于某一类（即选定几种铺层角）或某几类层合板选取不同的定向层比所排成的层合板系列，以表格形式列出各个层合板在各种内力作用下的强度或刚度值，以及所需的层数，供设计选择。（3）层合板排序设计法是基于某一类（即选定几种铺层角）或某几类层合板选取不同的定向复合材料设计原理课件4.3.4结构设计4.3.4结构设计PPPP梁杆板壳PPPP梁杆板壳圆柱壳扭力轴板容器结构的基本元素：连杆、拉杆、梁、平板、圆柱壳一般结构件：骨架结构时（如桁架、框架）硬壳结构形式（全硬壳结构，半硬壳机构）和薄壁结构圆柱壳扭力轴板容器结构的基本元素：连杆、拉杆、梁、平板、圆柱空间点阵复合材料结构先进格栅增强结构(AGS),NASALangley研究中心研究人员把先进格栅增强结构技术列入未来航天结构技术发展的六大方向之一的低成本结构技术之内；美国空间实验室把AGS技术列为迎接未来空间系统技术挑战的四大结构技术之一，这项技术未来在航天器燃料储箱、机身等大型复杂部件应用。空间点阵复合材料结构先进格栅增强结构(AGS),NASA

X-Cor夹层结构：两片复合材料板之间的一个泡沫基体，其中由Z-Fiber针状纤维构成四方形的衍架网状结构。X-Cor夹层结构：两片复合材料板之间的一个泡沫基体，新型的K-Cor结构

pin在两侧压平，pin与面板结合力更强，面板可以是复合材料也可以是金属新型的K-Cor结构

pin在两侧压平，pin与面板结合力3.受动力荷载作用的结构（桥梁、吊车梁）3.受动力荷载作用的结构（桥梁、吊车梁）复合材料设计原理课件1）按使用载荷设计、按设计载荷校核2）按使用载荷设计对应的许用值称为使用许用值；按设计载荷校核对应的许用值称为设计许用值。1.结构设计的一般原则称为材料的许用应力n为安全系数

屈服强度1）按使用载荷设计、按设计载荷校核1.结构设计的一般原则称3）复合材料的失效准则只适用于单层结构，一般采用蔡-胡失效准则。正交化，相互作用系数未规定时采用-0.5。4）没有刚度要求的一般部位，材料弹性常数数据可采用试验数据和平均值；有刚度要求的重要部位需要选取B基准值。3）复合材料的失效准则只适用于单层结构，一般采用蔡-胡失复合材料设计原理课件许用值是结构设计的关键要素之一，是判断结构强度的基准，正确的确定许用值是结构设计和强度计算的重要任务之一.安全系数的确定也是一项非常重要的工作。3.许用值与安全系数的确定许用值是结构设计的关键要素之一，是判断结构强度的基准，正确的a:开孔试样在环境条件下进行单轴拉伸试验，测定断裂应变，并除以安全系数，经过统计分析得到使用许用值。

（1）拉伸时使用许用值

取由下述三种情况得到的较小值b:非缺口试样在环境条件下进行单轴拉伸试验，测定基体不出现明显裂纹所能达到的最大应变值，经过统计分析得到使用许用值。c:开孔试样在环境条件下进行拉伸两倍疲劳寿命试验，测定期所能达到的最大应变值，经过统计分析得到使用许用值。

a:开孔试样在环境条件下进行单轴拉伸试验，测定断裂应变，并除B：压缩时使用许用值的确定方法a:低速冲击后试样在环境条件下进行单轴压缩试验，测定破坏应变，并除以安全系数，经过统计分析得到使用许用值。b:带销开孔试样在环境条件下进行单轴压缩试验，测定破坏应变，并除以安全系数，经过统计分析得到使用许用值。c: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，经过统计分析得到使用许用值。B：压缩时使用许用值的确定方法b:带销开孔试样在环境条件下进a：±45°层合板试样在环境条件下进行反复加载却载的拉伸（或压缩）疲劳试验，并逐渐加大峰值载荷的量值，测定无残余应变下最大剪切应变值，经过统计分析得到使用许用值。C：剪切时使用许用值的确定方法b：±45°层合板试样在环境条件下经小载荷加载却载数次后，将其单调的拉伸至破坏，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切应变值，经过统计分析得到使用许用值。a：±45°层合板试样在环境条件下进行反复加载却载的拉伸（在保证安全的条件下，应尽可能降低安全系数。①载荷的稳定性②材料性质的均匀性和分散性③理论计算公式的近似性④构件的重要性与危险程度⑤加工工艺的准确性⑥无损检验的局限性⑦使用环境条件（2）安全系数的确定在保证安全的条件下，应尽可能降低安全系数。（2）安全系数的确

工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性:（1）构件的拐角应具有较大的圆角半径；（2）对于外形复杂的复合材料构件设计，应考虑制造工艺上的难易程度，如可采合理的分离面分成两个或两个以上构件；2.结构设计应考虑的工艺要求工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性:2.结构设计应考（3）结构件的两面角应设计成直角或钝角；（4）构件的表面质量要求较高时，应使该表面为贴膜面；（5）复合材料的壁厚一般应控制在7.5mm以下；（6）机械连接区的连接板应尽量在表面铺贴一层织物铺层。（7）为了减少装配工作量，在工艺上可能的条件下应尽量设计成整体性。（3）结构件的两面角应设计成直角或钝角；实例

张家界景区游览车复合材料车体的手糊成型实例张家界景区游览车复合材料车体的手糊成型复合材料设计原理课件（1）景区游览车结构特点分析游览车外形结构比较复杂，尺寸较大；车体分成三部分：车顶、车座和裙边；车座和裙边外表面光滑，车顶两面光滑；车顶、车座和裙边分别整体成型，然后再连接安装成整体；每节车箱需要承受四个游客的体重对车厢车座的作用；车架和动力传动部分采用金属材料，其余均为复合材料；车体能够经受住一定的外力冲击；（1）景区游览车结构特点分析游览车外形结构比较复杂，尺寸较（2）选择复合材料制备游览车的优势：（3）游览车的力学分析：复合材料轻质高强，减重效果明显；复合材料耐腐蚀性、抗冲击性、抗疲劳性强；复合材料具有一次整体成型优势。行驶速度控制在12km/h，外形设计不考虑气动影响；游览车在起动、加减速或停止过程中