第11章-复合材料结构设计

第十一章复合材料结构设计11.1概述复合材料结构设计综合： 1〕层合板设计 2〕典型结构件设计 3〕连接设计第十一章复合材料结构设计考虑的因素： 1〕设计条件 2〕结构质量 3〕研制本钱 4〕创造工艺 5〕质量控制11.1概述复合材料结构设计的综合过程：第十一章复合材料结构设计铺层性能确定原材料选择层合板设计典型构件设计结构设计应力与变形分析失效分析性能要求载荷情况环境条件形状限制11.1概述复合材料结构设计大致分为三个步骤：明确设计条件：如性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制等；材料设计：包括原材料选择、铺层性能确实定、复合材料层合板的设计等；结构设计：包括复合材料典型结构件杆、梁、板、壳的设计和针对性复合材料具体结构的设计。第十一章复合材料结构设计11.1概述第十一章复合材料结构设计复合材料结构设计： 材料设计 结构设计复合材料材料与结构一次成型的，且材料具有可设计性，可使复合材料结构到达最优化设计的目标。11.1概述第十一章复合材料结构设计一、结构性能要求(1)结能承受的各种载荷状态及其载荷值，使用寿命；(2)明确对结构形状和尺寸的限制及与相邻结构部件的几何和载荷传递关系；(3)提供正常工作环境和保护内部物件的平安。(4)满足某些特殊的性能要求。如化工装置要求耐腐蚀性；对雷达罩和天线有一定的电、磁性能要求；飞行器上的复合材料要求有防雷击的性能等。11.1概述第十一章复合材料结构设计二、载荷情况载荷：静载荷、动载荷动载荷：突加载荷、冲击载荷、交变载荷在静载荷作用下，结构一般应设计成具有抵抗破坏和抵抗变形的能力，即具有足够的强度和刚度。在冲击载荷作用下应使结构具有足够抵抗冲击载荷的能力。在交变载荷作用下的结构疲劳问题较为突出，应按疲劳强度和疲劳寿命来进行设计。11.1概述第十一章复合材料结构设计三、环境条件任何一个结构都是在一定的环境条件下完成它的使用功能的。为此必须充分考虑各种可能的环境条件。(1)力学条件：加速度、冲击、振动、声音等；(2)物理条件：压力、温度、湿度等；(3)气象条件：风雨、冰雪、日光等；(4)大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风砂等。11.1概述第十一章复合材料结构设计四、结构的可靠性与经济性结构的可靠性，是指结构在规定的使用寿命内，在给定的载荷情况和环境条件下，充分实现所预期的性能而保证结构正常工作的能力。称为结构的可靠性〔概率值〕。结构破坏一般为静载破坏和疲劳断裂破坏，结构可靠性分析也分为结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。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。11.1概述第十一章复合材料结构设计结构本钱与可靠性的关系11.2结构设计第十一章复合材料结构设计复合材料的力学性能，其中选材、铺层、几何与性能的关系均属材料设计的内容。复合材料根本构件在承载后的力学响应分析，是复合材料构件设计的根底。本节介绍复合材料结构设计的根本原那么和典型构件设计的一般方法。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计结构设计的一般原那么(1)复合材料结构一般采用按使用载荷设计、按设计载荷校核的方法。使用载荷是指正常使用中可能出现的最大载荷，在该载荷下结构不应产生剩余变形。设计载荷是指设计中用来进行强度计算的载荷，在该载荷下结构进入失效状态。平安系数为设计载荷与使用载荷的比值。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计结构设计的一般原那么(2)按使用载荷设计时，采用使用载荷所对应的许用值称为使用许用值；按设计载荷校核时，采用设计载荷所对应的许用值，称为设计许用值。许用值分A基准值和B基准值两种。对主承力结构或单传力结构采用A基准值，对多传力结构或破损平安结构采用B基准值。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计结构设计的一般原那么A基准值：在96%置信度下至少有99%数值群的性能值高于此值。B基准值：在95%置信度下至少有90%数值群的性能值高于此值。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计结构设计的一般原那么(3)复合材料失效准那么只适用于复合材料的单层。在未规定使用某一失效准那么时，一般采用蔡---吴失效准那么，且正那么化相互作用系数F12*在未作专门规定时采用-0.5。(4)有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数据可采用试验数据的平均值，对有刚度要求的重要部位要选择B基准值。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计结构设计应考虑的工艺性要求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，并设计成直角或钝角，防止在拐角处出现纤维折断、富树脂、架空等缺陷。(2)对于外形复杂的复合材料构件，设计时应考虑制造工艺的难易程度，可采用合理的别离面分成两个或两个以上构件；曲率较大的曲面应采用织物铺层；外形突变处应采用光滑过渡；壁厚应防止从一个数值在一处突然变成另一数值。必要时可分为数级阶梯形来实现不同壁厚间的过渡。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计结构设计应考虑的工艺性要求(3)构件的外表质量要求较高时，应使该外表为贴模面，或在该外表处加压板，或分解结构件使该外表成为贴模面。(4)复合材料的壁厚一般应控制在7.5mm以下。对于壁厚大于7.5mm的构件，除必须采取相应的工艺措施以保证质量外，设计时应适当降低其力学性能参数。(5)机械连接区的连接板应在外表铺—层织物增强CM铺层。(6)为减少装配工作量，尽量将结构设计成整体件，并采用共固化工艺。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计许用值确实定1、使用许用值①拉伸时使用许用值确实定拉伸时使用许用值取下述三种情况中的较小值；第一，对开孔试样，在使用环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其断裂应变，并除以平安系数，经统计分析得到使用许用值。第二，对非缺口试样，在使用环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其基体不出现明显微裂纹所到达的最大应变值，经统计分所得出使用许用值。第三，对开孔试样，在使用环境条件下进行拉伸两倍疲劳寿命试验，测定其所能到达的最大应变值，经统计分析得到使用许用值。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计许用值确实定1、使用许用值②压缩时使用许用值确实定压缩时使用许用值取下述三种情况中的较小值：第一，对低速冲击后的试样，在使用环境条件下进行单轴压缩试验，测定其破坏应变，并除以平安系数，经统计分析得出使用许用值。第二，对开孔试样，在使用环境条件下进行单轴压缩试验，测定其破坏应变，并除以平安系数，经统计分析得出使用许用值。第三，对低速冲击后的试样，在环境条件下进行压缩两倍疲劳寿命试验，测定其所能到达的最大应变值，经统计分析得出使用许用值。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计许用值确实定1、使用许用值③剪切时使用许用值确实定剪切时使用许用值取下述两种情况中的较小值：第一，对±45°层合板试样，在使用环境条件下进行反复加载—卸载的拉伸(或压缩)疲劳试验，并逐渐加大载荷峰值，测定无剩余应变下的最大剪应变值，经统计分析得出使用许用值。第二，对±45°层合板试样，在使用环境条件下经小载荷加载—卸载数次后，将其拉伸至破坏，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应变值，经统计分析得出使用许用值。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计许用值确实定2、设计许用值设计许用值是在对使用环境条件下材料破坏试验结果进行数据统计分析后给出的。使用环境条件包括使用温度上限和1%水分含量(对于环氧类基体复合材料)的联合情况。对破坏试验结果应进行分布检查(韦伯分布或正态分布)，并按一定的可靠性要求(A基准值或B基准值)给出设计许用值。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计平安系数确实定在保证平安的前提下，应尽可能降低平安系数。主要因素：1、载荷值的准确性作用在结构上的外力数值，一般是经过力学方法简化或估算获得的，很难与实际情况完全相符，对载荷值的不准确性所产生的问题通过平安系数予以考虑。对载荷值的选定愈符合实际情况，那么所选用的平安系数可以愈小，一般动载比静载应选用较大的平安系数。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计平安系数确实定2、材料性质的均匀性和分散性材料内部组织的非均质和缺陷对结构强度有一定的影响。材质组织愈不均匀，其强度试验结果的分散性就愈大，平安系数相应地就要选大些。3、理论计算公式的近似性对实际结构进行模型简化和理想化假设条件下所推导的计算公式，一般都是近似的，选择平安系数时要考虑到计算公式的近似程度。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计平安系数确实定4、构件在结构中的重要性如果构件的损坏会引起整个结构失效从而发生严重事故，那么该构件的平安系数应取大些。5、加工工艺的可重复性由于加工工艺水平的限制，制件不可能完全没有缺陷或偏差，并因各种工艺因素的偶然性变化而使所加工的结构或构件的性能分散，因此对工艺可重复性差的应取大的平安系数。6、无损检验的局限性。7、使用环境条件。11.2结构设计第十一章复合材料结构设计平安系数确实定通常，玻璃纤维复合材料可保守地取平安系数为3，民用结构产品也有取至10的，而对重量有严格要求的构件可取为2；对于硼/环氧，Kevlar/环氧构件，平安系数可取1.5，对重要构件也可取2。由于复合材料构件在一般情况下开始产生损伤的载荷(即使用载荷)约为最终破坏的载荷(即设计载荷)的70%，故平安系数取1.5~2是适宜的。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计一、受拉杆件受拉杆件一般可制成圆棒状或平板状。对于圆棒状拉杆可以将纤维沿载荷方向(即圆棒轴向)铺设，而对于平板状(矩形)拉杆．不宜沿载荷方向全部铺设0°单向层。由于平板状拉杆不可防止有横向的载荷，而全部0°单向层横向强度太小，且泊松比和横向热膨胀系数较大，与其他构件连接时易引起较大的附加应力和热应力，故应铺设假设干90°层，例如6%-10%。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计一、受拉杆件受拉杆件的强度条件为： N/A≤[σ]式中N——受拉杆的轴力；A——受拉杆的横截面面积；[σ]——许用拉应力，为极限拉应力除以平安系数。极限拉应力即设计拉伸强度，对于圆棒可近似取单向层合板的拉伸强度，而对于正交对称层合板组成的受拉杆，可取相应方向的面内拉伸强度。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计二、受压杆件对于短粗的受压杆，由于抗压强度不够而导致破坏，可按强度条件设计： ︱N︱/A≤[σ]式中N——受压杆的轴力；A——受压杆的横截面面积；[σ]——许用压应力，为极限压应力除以平安系数。极限压应力即设计压缩强度，由压杆所采用的材料确定。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计二、受压杆件对于细长的受压杆件，通常是因屈曲而失效，故应按稳定性条件进行设计： P≤[P]式中P——使用载荷；[P]——许用载荷。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计二、受压杆件临界载荷EI——横截面对其形心的最小抗弯刚度；L——压杆长度，c——压杆的端部支持系数。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计二、受压杆件支持条件两端固支两端简支一端简支一端自由一端固支一端简支理论C值0.51.02.00.7建议C值0.651.02.10.811.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计二、受压杆件对于对称层合板，抗弯刚度为b——层合板宽度；d11——对称层合板的弯曲柔度系数。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计三、受扭杆件Mn——圆管所受的扭矩；Wn——抗扭截面矩量。以扭转为主要变形的杆件一般做成圆管状，用铺迭的方法或缠绕的方法制成与轴线成±45°铺层的圆管，此时受扭的刚度和强度较大。由1:1编织布按45°铺设的受扭圆管的强度条件为11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计三、受扭杆件D——圆管外径；α——圆管内径d与外径D的比值。[τ]为许用剪应力[σ]——1:1编织布0°方向的许用应力。当单向布按±45°逐层交错铺设时，那么[σ]为[0/90]s层合板在0°方向许用应力。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计四、受弯构件——薄壁梁工字梁受载弯曲时，上下冀缘受拉或受压，在冀缘上布置沿梁轴的0°铺层。由于薄壁冀缘还可能出现局部失稳，还需在冀缘表层布置沿梁轴的±45°铺层，在腹板主要承受剪切载荷，同时还承受弯曲引起的压缩应力或拉伸应力，铺层布置以±45°为主，配以适当的90°铺层(垂直凸缘方向)和0°铺层。工字形梁的铺层布置1—±45°；2—0°；3—以±45°为主，辅〔0°，90°〕11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计四、受弯构件——薄壁梁假定工字梁的弯矩由上、下翼缘承担，而剪力由腹板承担，且应力分布都是均匀的，那么翼缘和腹板的强度条件分别为M——截面弯矩；Q——截面剪力；b——翼缘宽度；t——翼缘厚度；h——腹板高度；δ——腹板厚度；[σ]——冀缘的许用应力，拉、压强度取其小者为许用应力；[τ]——腹板的许用剪应力。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计四、受弯构件——薄壁梁虑到工字梁的腹板很有可能发生剪切屈曲，即在剪应力作用下发生屈曲，因此还需满足剪切屈曲的强度条件：n为剪切屈曲平安系数；τcr为剪切屈曲临界应力。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计四、受弯构件——薄壁梁D——沿腹板高度方向的弯曲刚度E——沿腹板高度方向的弹性模量；ν——沿腹板高度方向的泊松比。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计四、受弯构件——薄壁梁考虑到受压局部的翼缘也会发生屈曲，要求翼缘宽度2c(不包含腹板厚度局部，即b—δ)小于以下公式给出的有效宽度：E——梁轴方向的有效弹性模量；σb——梁轴方向的压缩强度；t——受压翼缘厚度。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计四、受弯构件——夹芯结构蜂窝夹芯结构是由上、下面板、蜂窝芯材、胶层组成的。面板主要承受由弯曲引起的正应力，芯材主要承受剪力，对面板起着支撑作用并保持上下面板之间的距离和保证面板不发生局部屈曲和翘曲变形。芯材的要求：既要质量轻，又要有一定的强度和刚度，具有一定的抗剪与抗垂直面板方向的压缩载荷的能力。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计四、受弯构件——夹芯结构蜂窝夹芯结构设计的根本原那么：①面板的厚度应足以承受设计弯曲正应力；②芯子必须具有足够的高度，且有足够的剪切刚度和抗平压强度，不出现夹芯结构的整体屈曲、过度挠曲和剪切破坏；③蜂窝芯的芯格尺寸不能过大，要保证芯格格壁之间的面板不发生局部屈曲，并使面板具有足够的平整度；④上下面板最好采用同样材料，以防止固化时由热失配引起的翘曲。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计四、受弯构件——夹芯结构假定蜂窝夹芯板的面板承受弯曲正应力且沿面板厚度均匀分布，而蜂窝芯材承受剪应力且沿芯材厚度均匀分布。当上、下面板相同时，面板的强度条件为Ef——面板的弹性模量；Ecz——芯材在垂直面板方向的弹性模量；Gc——芯材的剪切弹性模量；t——受压面板厚度；c——蜂格斜边长度。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计四、受弯构件——夹芯结构Q——单位宽度截面上的剪切力；b——梁的宽度；hc——蜂窝芯材的高度；[τ]——蜂窝芯材的许用应力。蜂窝芯材的强度条件为n——平安系数；τB——蜂窝芯材的剪切强度。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计四、受弯构件——夹芯结构对于正六边形蜂窝芯材，其剪切强度由蜂窝壁剪切强度或蜂窝壁临界应力确定，即τsB——蜂窝壁材料的剪切强度；ts——蜂窝壁厚度；Es——蜂窝壁材料的弹性模量；c——蜂窝芯的斜边长度；11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计四、受弯构件——夹芯结构由于胶层剪应力τR等于蜂窝壁剪应力τS，为确保胶层不首先破坏，应使胶层的剪切强度大于(至少等于)蜂窝壁的剪切强度和临界应力。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计五、板状构件板状构件可以主要承受面内力，也可以主要承受弯曲力矩。对于主要承受面内力的板，可以设计成单向层合板或多向层合板，而对于受有面内压力或面内剪切的板，不能单纯考虑强度，还需要考虑屈曲。对于主要承受弯曲力矩的板通常采用夹芯板。11.3典型结构件的设计第十一章复合材料结构设计六、壳状构件壳状构件往往承受内、外压力。通常遇到的多是薄壳，在小变形情况下，壳体主要承受面内力作用。壳体受内压作用时，一般用层合结构，而筒形、球形壳体采用缠绕结构。在外压力作用下的壳体多采用夹芯结构或加筋结构。对于这一类壳状构件，壳体在内压作用下处于受拉情况，在外压作用下处于受压情况。11.4结构形式的选择第十一章复合材料结构设计一、结构形式的分类复合材料的结构形式： 1〕骨架式结构 2〕硬壳式结构 3〕薄膜结构11.4结构形式的选择第十一章复合材料结构设计1〕骨架式结构——分桁架结构与刚架结构①桁架结构是一种由直杆组成的结构。杆件之间通常用机械接头连接。此结构易于装配，但接头数量多，装配时间较长。载荷通常通过接点向相连接的杆件传递而分配于整个结构。组成桁架结构的杆件只承受其轴线方向的拉伸或压缩载荷。桁架结构有平面桁架与空间桁架之分。11.4结构形式的选择第十一章复合材料结构设计1〕骨架式结构——分桁架结构与刚架结构②刚架结构是一种由直线杆件或曲线形杆件组成的结构。杆件之间来用胶接接头连接而成，也可采用整体成型。显然，刚架结构的构件数比桁架结构少，且外载荷不仅可以作用在构件之间的接头上，也可直接作用在构件上。刚架结构的构件不仅要承受其轴线方向的拉伸或压缩载荷，还要承受弯矩和扭矩。刚架结构也有平面刚架与空间刚架结构之分。11.4结构形式的选择第十一章复合材料结构设计2〕硬壳式结构——分纯硬壳式结构与半硬壳式结构①纯硬壳式结构是由层合板或夹芯板组成的结构，可一次整体成型。对于复合材料，采用的成型方法有：手工铺迭、喷涂铺迭、模压或纤维缠绕等。这种结构较适宜于受分布载荷的情况，而对于受集中载荷的部位，必须增加壁厚或局部加强。对于与金属连接不会产生腐蚀的复合材料，在受较大局部集中载荷的部位可预埋金属件，这种结构形式的应用例子较多，如贮罐、机罩、导管、整流罩、机身、车身等。11.4结构形式的选择第十一章复合材料结构设计2〕硬壳式结构——分纯硬壳式结构与半硬壳式结构②半硬壳式结构(含薄壁结构)是内面板和加强骨架组成的结构。由于硬壳式的大型结构物质量过大，因此多采用将面板改薄的措施，同时设置加强骨架，一那么用于承受和传递载荷，二那么防止薄壁面板发生屈曲和过大的变形。结构件长度方向上的加强骨架称为纵梁，与它垂直的方向的加强骨架称为筋条(或肋)，面板只能承受分布载荷并将载荷向加强骨架传递，集中载荷必须加在纵梁与筋条的连接结点处。11.4结构形式的选择第十一章复合材料结构设计2〕硬壳式结构——分纯硬壳式结构与半硬壳式结构半硬壳式结构一般不能一次成型，需要由许多构件组合起来，因此成型工艺较复杂。飞机、船舶、车辆中采用的多数为半硬壳式结构。复合材料的半硬壳式结构，面板多为层合板，加强骨架多为薄壁杆件，如角形、T字形、工字形、Z字形、帽形杆件等。而帽形截面的加强骨架尤为适宜。11.4结构形式的选择第十一章复合材料结构设计面板主要受面内力作用，面板的铺层情况接受内力的情况确定。帽形加强骨架的盖板一般为±45°铺层，以利于承受剪切。盖板与面板的贴合边能保持连续．不仅能承拉，还能与面板一起承剪。外弦件和内弦件主要是单向纱或单向0°铺层，用以承拉；中间放置蜂窝芯子的目的是使骨架具有较高的刚度，以提高结构的承载能力。帽形加强骨架半硬壳式结构1—面板；2—外弦件；3—盖板；4—芯子；5—内弦件11.4结构形式的选择第十一章复合材料结构设计3〕薄膜结构薄膜结构是由层合板组成的薄壳结构。通常薄壳只能承受面内力(又称薄膜内力)，而不能承受弯曲。由于这种薄壳结构只有薄面板，没有加强筋，只能承拉，不能承压或承剪。因此，薄膜结构只能用于低压容器类。设计中一定要特别注意对其边界采取加固措施，使之有足够的刚性，以提供产生薄膜力的条件。11.4结构形式的选择第十一章复合材料结构设计二、结构形式的选择复合材料结构形式的选择，需要根据使用目的，分析比较各种方案的特点，选用具有能发挥复合材料优点的结构形式。结构的选择要与材料设计等综合起来考虑，从各种方案比较中选择最正确的材料和结构形式。11.5结构设计应考虑的其他问题第十一章复合材料结构设计一、热应力复合材料构件常常需要与金属零件连接。当使用温度与连接装配时的温度不同时，由于被连接的材料之间热膨胀系数的差异，常常会出现连接处的翘曲变形。与此同时，被连接件中还会产生由温度变化引起的热应力。如果连接是刚性的，并忽略胶接接头中胶接剂的剪应变和机械连接中紧固件(铆钉或螺栓)的应变，那么复合材料和金属构件中的热应力为：11.5结构设计应考虑的其他问题第十一章复合材料结构设计一、热应力σc，σM——为复合材料和金属材料中的热应力；αc，αM——为复合材料和金属材料的热膨胀系数；Ec，EM——为复合材料和金属材料的弹性模量；Ac，AM——为复合材料和金属材料的横截面面积；△T——连接件使用温度与装配时温度之差。11.5结构设计应考虑的其他问题第十一章复合材料结构设计一、热应力αM＞αc，复合材料在温度升高时产生拉伸的热应力，而金属材料产生压缩的热应力，温度下降时正好相反。复合材料结构设计时，对于工作温度与装配温度不同的使用环境条件，不但要考虑环境条件对材料性能的影响，还要在设计应力中考虑这种附加的热应力，确保结构在工作应力下的平安。11.5结构设计应考虑的其他问题第十一章复合材料结构设计一、热应力当复合材料工作应力为拉应力，而热应力也为拉应力时，其强度条件应改为：σ1——根据结构使用载荷算得的复合材料连接件的工作应力σc——计算得到的热应力；[σ]——许用应力。11.5结构设计应考虑的其他问题第十一章复合材料结构设计二、防腐蚀碳纤维复合材料与金属材料之间存在电位差使得它对大局部金属都有很大的电化腐蚀作用，需采取隔离措施。如在紧固件钉孔中涂漆或在金属与碳纤维复合材料外表之间加一层薄的玻璃纤维层使之绝缘或密封，从而到达防腐蚀的目的。对于胶接装配件可通过胶膜防腐蚀。钻合金、耐蚀钢和镍钴合金等可与碳纤维复合材料直接连接而不会引起