第6章 复合材料结构设计

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性能要求载荷情况环境条件形状限制原材料选择铺层性能确定应力与应变分析失效分析层合板设计典型构件设计结构设计1)明确设计条件2)材料设计12343)结构设计4)应力应变及失效分析[e-mail]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[e-mail]结构性能要求1)结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全2)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3)隔绝外界的环境状态而保护内部物体2009-12-129B载荷情况1)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。2)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、日光灯等4)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1)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。2)结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性两方面。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1)比强度、比刚度高2)材料与结构的使用环境相适应3)满足结构特殊性要求4)满足工艺性要求5)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•E或S玻璃纤维、凯夫拉纤维、氧化铝纤维等良好的透波、吸波性能•高模量碳纤维、硼纤维高刚度•玻璃纤维、凯夫拉纤维高抗冲击性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•低温不脆化的碳纤维低温工作性能•凯夫拉纤维或碳纤维(热膨胀系数可为负值)尺寸对温度不敏感•碳纤维或硼纤维(比强度和比刚度)高强度、高刚度项目玻璃/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1)要求基体材料能在使用温度范围内正常工作2)要求基体材料具有一定的力学性能3)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4)要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能5)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。然而，设计的初步阶段，为了层合板设计、结构设计的需要，必须提供必要的单层性能参数，特别是刚度和强度参数。为此，通常需要利用细观力学方法推得的预测公式来进行计算。而在最终设计阶段，单层性能的确定需要用试验的方法直接测定。[e-mail]19A单层树脂含量的选择一般根据单层的承力性质或单层的使用功能选取2009-12-1220单层的功用固化后树脂的质量含量(%)主要承受拉伸、压缩、弯曲载荷27主要承受剪切载荷30用作受力构件的修补35主要用作外表层防机械损伤和大气老化70主要用作防腐蚀70~90体积含量与质量含量之间的关系为：2009-12-1221(6-1)式中：另外，在最终设计阶段，一般为了单层性能参数的真实可靠，使设计更为合理，单层性能的确定需用试验的方法。可依据国家标准GB3352-88和GB3355-88来执行。B刚度的预测公式选择代表性体积单元如右图所示2009-12-1222LΔL12σ1σ1(6-2)式中：2009-12-1223式(6-2)可改写为下面形式：(6-3)式中：(6-4)分别为单层的纤维体积含量和基体体积含量。②纤维和基体有相同的线应变，且都等于单元的纵向线应变，于是有：(6-5)2009-12-1224③单层、纤维和基体都是线弹性的，都服从胡克定律，于是有：(6-6)将式(6-5)和(6-6)代入式(6-3)可得：(6-7)由于(6-8)所以式(6-7)又可写为：(6-9)2009-12-12252)确定E2代表性体积单元的作用应力为σ2，纤维和基体的弹性模量分别为Ef和Em，求横向弹性模量E2。12σ2σ2Δ从宏观角度看：(6-10)从细观角度看：(6-11)2009-12-1226所以：(6-12)各部分同样满足胡克定律：(6-13)即可得：(6-14)或改写为：(6-15)2009-12-1227变形得：(6-16)实验证明，E1的计算公式(6-9)与实验值基本相符，而E2的计算公式(6-16)与实验值差别较大，计算值偏低，为此，可利用如下的经验公式计算：(6-17)式中：(6-18)η2由实验确定，玻璃/环氧可取0.5，碳/环氧可取0.972009-12-1228工程弹性常数预测公式说明纵向弹性模量此式基本符合试验测定值横向弹性模量按此式预测的值往往低于试验测定值，对此可改用修正公式(6-17)(6-18)纵向泊松比此式基本符合试验测定值横向泊松比此式为工程弹性常数之间的关系式面内剪切弹性模量按此式预测的值往往低于试验测定值，对此可改用修正公式(6-17a)(6-18a)2009-12-1229(6-17a)(6-18a)2009-12-1230C强度的预测公式纵向拉伸强度：(6-19)(6-20)2009-12-1231(6-21)(6-22)式中：图6-2组分材料与体积比对单向板弹性模量的影响图6-3组分材料与体积比对单向板切变模量的影响A层合板设计的一般原则1)铺层定向原则2)均衡对称铺设原则3)铺层取向按承载选取原则4)铺层最小比例原则5)铺设顺序原则6)冲击载荷区设计原则7)防边缘分层破坏原则8)抗局部屈曲设计原则9)连接区设计原则10)变厚度设计原则2009-12-12346.4层合板设计B等代设计法C准网络设计法D毯式曲线设计法E主应力设计法F层合板排序设计法G层合板优化设计法2009-12-1235表6-3等代设计中层合板结构形式的选择6.5结论与讨论(1)在宏观、细观和微观层面上，复合材料结构的一体化设计。(2)在材料、工艺和结构层面上，复合材料结构的一体化设计。(3)复合材料及其结构的软设计。(4)复合材料及其结构的虚拟设计。