复合材料结构设计分析与力学性能测试

主要内容一、复合材料结构设计二、复合材料分析与优化三、复合材料力学性能测试与表征一、复合材料结构设计流程1、明确设计条件：性能要求、载荷情况、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、层合板设计等。3、结构设计：复合材料层合板设计、结构典型特征的设计、夹芯结构设计、复合材料接头设计等。一、复合材料结构设计流程设计分析制造一体化在材料设计和结构设计中都涉及到应变、应力与变形分析、失效分析，以确保结构的强度和刚度。复合材料结构往往是材料与结构一次成型的，且材料也具有可设计性。一、复合材料结构设计流程1、设计条件①结构性能要求②载荷情况③环境条件④结构的可靠性与经济性一、复合材料结构设计流程①结构性能要求结构所能承受的各种载荷；提供装置各种附件的空间，对结构形状和尺寸的限制；隔绝外界的环境状态而保护内部物体。一、复合材料结构设计流程②载荷情况静载荷：是指载荷缓慢地由零增加到某一定数值后就保持不变或变动不显著的载荷；动载荷：是指能使构件产生较大的加速度，且不能忽略由此而产生的惯性力的载荷。动载荷分为：瞬时作用载荷、冲击载荷、交变载荷。动载荷作用下所产生的应力称为动应力。一、复合材料结构设计流程③环境条件力学条件：加速度、冲击、振动、声音等；物理条件:压力、温度、湿度等；气象条件：风雨、冰雪、日光等；大气条件：放射性、盐雾、风砂等。其中，力学和物理条件主要影响结构的强度和刚度，与材料的力学性能有关；气象和大气条件主要影响结构的腐蚀、磨损、老化等，与材料的理化性能有关。一、复合材料结构设计流程④结构的可靠性与经济性可靠性指结构在所规定的使用寿命内，在给予的载荷和环境条件下，充分实现所预期的性能时结构正常工作的能力。用一种概率来度量称为结构的可靠度。结构静强度可靠性；结构疲劳强度可靠性。一、复合材料结构设计流程④结构的可靠性与经济性结构设计的合理性表现在可靠性和经济性两方面。提高可靠性就会增加初期成本；维修成本随可靠性增加而降低；总成本最低时经济性最好，可靠性最合理。一、复合材料结构设计流程2、材料设计①原材料的选择原则②纤维选择③树脂的选择④铺层性能确定复合材料的基本结构形式复合材料零部件的设计和制造是一个材料构成和成型的并行过程。设计人员除对结构件进行形状设计外还需进行材料设计。材料设计包括原材料的选取和纤维取向及连续性状态的安排。原材料选择一般可采用以下几种方式：一种是根据结构设计要求直接选取增强材料和基体材料的种类和规格；另一种是根据结构设计要求选取定型的、商品化的预浸料；或者是两种方式混合使用。一、复合材料结构设计流程①原材料的选择原则比强度、比刚度高材料与结构的使用环境相适应满足结构特殊性能的要求满足工艺性要求低成本、高效益一、复合材料结构设计流程比强度、比刚度高比强度是指单向板纤维方向的强度与材料密度之比。比刚度是指单向板纤维方向的刚度与材料密度之比。多向层合板的比强度和比刚度要比单向板低30%~50%。一、复合材料结构设计流程典型纤维的比强度比刚度类型密度（g/cm3）拉伸强度（GPa）拉伸模量（GPa）比强度比模量T3001.773.532211.99124.9T7001.804.902302.72127.8Kevlar491.463.621522.47104.1S-glass2.544.14861.7034.68E-glass2.542.76731.1329.43一、复合材料结构设计流程材料与结构的使用环境相适应原则材料的主要性能在结构的整个使用环境条件下，降幅值小于10%。树脂基复合材料温度和湿度对性能的影响较大，通过改进或选用合适的基体达到与使用环境相适应。满足结构特殊性能要求的原则如飞机雷达罩透波性要求，隐身飞机吸波性要求等。一、复合材料结构设计流程满足工艺性要求的原则预浸料工艺性：挥发物含量、预浸料储存期等参数。固化成型工艺性：加压时间、固化温度、压力等。机加装配工艺性。修补工艺性：已固化与未固化复合材料通过胶粘剂粘接的能力。一、复合材料结构设计流程低成本、高效益原则低成本高效益原则材料成本初期成本制造成本维修成本一、复合材料结构设计流程②纤维选择结构要求有良好的透波、吸波性能：选E或S玻璃纤维、凯芙拉纤维、氧化铝纤维。要求高的刚度：选用高模量的碳或硼纤维。要求高的抗冲击性能：选用玻璃纤维、凯芙拉纤维。一、复合材料结构设计流程②纤维选择要求好的低温工作性能：选用低温下不脆化的碳纤维。要求尺寸不随温度变化：选用凯芙拉或碳纤维。要求较高的强度和刚度：选用比强度、比刚度均较高的碳纤维。一、复合材料结构设计流程典型纤维的性能类型丝数拉伸强度（GPa）拉伸模量（GPa）纤维直径（µm）密度（g/cm3）T3003k3.5322171.77T70012k4.9023071.80Kevlar495803.62152121.46S-glass2044.14869.12.48E-glass2042.76739.12.48一、复合材料结构设计流程③树脂的选择各种牌号的环氧树脂和聚酯树脂特点：较高的力学性能但工作温度较低（-140℃~130℃），工艺性能好，成本低。对需耐高温的复合材料用聚酰亚胺做基体材料，长期工作温度200-250℃，短期工作温度可达350-400℃。一、复合材料结构设计流程④铺层性能确定单层树脂含量的选择刚度的预测强度的预测一、复合材料结构设计流程单层树脂含量的选择原则由承力性质或使用功能确定单层的功能树脂质量含量（%）主要承受拉伸、压缩、弯曲载荷27主要承受剪切载荷30用在受力构件的修补35用在外表层防机械损伤和大气老化70用在防腐蚀70~90一、复合材料结构设计流程纤维体积含量与质量含量之间的关系式：其中，mmffffMMMV度。分别为纤维、树脂的密、量百分比；分别为纤维、树脂的质、mfmfMM一、复合材料结构设计流程刚度的预测（1）纵向弹性模量：（2）横向弹性模量（3）纵向泊松比（4）横向泊松比（5）面内剪切模量)1(fmffLVEVEEmmffTEVEVE''1)1(fmffLVVLTLTEEmmffTGVGVG''1一、复合材料结构设计流程强度的预测（1）纵向拉伸强度：纤维体积含量。强度由纤维控制的最小纤维体积含量；基体的最大拉伸应力；；拉伸应变时的基体应力基体应变等于纤维最大（大拉伸力应力；纤维的最minmaxmaxmaxminmaxminmaxmax))1()1()(ffmfmffffmffffmffTVVVVVVVVVX一、复合材料结构设计流程强度的预测（1）纵向压缩强度：值的小者。取上述两公式计算所得CfmfmfffCXVGVEEVVX1)1(32一、复合材料结构设计流程3、复合材料设计①层合板设计的主要内容②铺层设计一般原则③层合板的设计方法④层合板特征设计⑤层合板其他设计原则⑥夹层结构设计⑦复合材料连接设计⑧关于环境影响的考虑一、复合材料结构设计流程①层合板设计的主要内容a)选择合适的单层铺设角-铺层方向；b)确定各铺设角单层的层数百分比-铺层比；c)确定铺层顺序：直接影响到层合板的刚度、强度、稳定性、振动、工艺性和使用维护性。一、复合材料结构设计流程①层合板设计的主要内容铺层结构简化表示一、复合材料结构设计流程a)选择合适的单层铺设角-铺层方向层合板的铺层方向主要依据所受的载荷情况来确定，力求获得最大的设计效率。（±α）用以承受面内剪力；90°层用以改善横向强度和调节泊松比。一般采用对称层压板。对称铺层可以保持整体平衡，避免弯曲-拉伸-扭转耦合以及压制或后加工时产生变形。铺层角度一般在0°、45°、-45°、90°四种角度中选取，以便降低制造复杂性。一、复合材料结构设计流程a)选择合适的单层铺设角-铺层方向为简化层合板的分析与设计，应尽量采用成对的±45°铺层。除织物结构外，相邻层取向夹角不能超过60°（0°和90°不要铺在一起）。如果相邻层间夹角超过60°，固化应力处会产生微裂纹。同样的规则适用于层间剪切应力的传递，虽然对静态强度没有大的影响，但对疲劳强度有影响。这条规则适用于16层以内的任何层压板。一、复合材料结构设计流程b)确定各铺设角单层的层数百分比-铺层比若需设计成准各向同性层合板，采用[0/45/90/-45]s。0:90:±45铺层比0.25：0.25：0.50准各向同性层合板：[A]为各向同性，与方向无关；各层具有相同的[Q]和相同的厚度；各层之间夹角相等。一、复合材料结构设计流程c)铺层顺序的基本要求有两种以上铺层方向的层合板，各种方向的铺层应尽量交错铺设；同一铺设角的单层不宜过多集中在一起，超过四层时易出现分层。对有压缩和冲击性能要求的层合板，可在外表面铺设±45°铺层，以提高抗压缩和抗冲击能力，同时也具有较好的使用维护性。一、复合材料结构设计流程②铺层设计的一般原则a)铺层定向原则：层压板结构设计中，一般只在π/4角度范围，即0°、45°、-45°、90°四种角度中选择所需的铺层角并尽量采用成对的45°和-45°均衡铺层。b)均衡对称原则：除特殊需要，一般设计成均衡对称层压板，以避免拉-剪、拉-弯耦合，引起翘曲等变形。一、复合材料结构设计流程②铺层设计的一般原则c)铺层方向按承载选取原则若承受拉（压）载荷，铺层方向按载荷方向铺设；若承受剪切载荷，铺层按±45°成对铺设；若承受双轴向载荷，铺层按0°、90°正交铺设。若承受多种载荷，铺层按0°、90°、±45°多向铺设。d)铺层最小比例原则：对于方向为0°、90°、±45°铺层，其任一方向的铺层最小比例应大于10%。一、复合材料结构设计流程②铺层设计的一般原则e)铺设顺序原则：层合板含有±45°层、0°层、90°层，尽量使±45°层之间用0°层或90°层隔开，也尽量使0°层、90°层之间用-45°或+45°层隔开，以降低层间应力。f)防边缘分层破坏设计原则：沿边缘区包一层玻璃布，以防止边缘分层破坏。g)抗局部屈曲设计原则：对可能形成局部屈曲的区域，将±45°层尽量铺设在层合板的表面，可提高局部屈曲强度。一、复合材料结构设计流程②铺层设计的一般原则h)变厚度设计原则：变厚度零件的铺层阶差、各层台阶设计宽度应相等，台阶宽度应等于或大于2.5mm。为防止台阶处剥离破坏，表面应由连续铺层覆盖。一、复合材料结构设计流程③层合板的设计方法常规设计方法：根据设计载荷和工艺制造的条件，并结合已有类似结构的铺层方式和设计人员的经验，初步确定层合材料的铺层方式。然后用复合材料力学方法求出相应的层合材料性能，在给定设计要求和载荷条件下，对这种复合材料结构进行刚度和强度分析，再根据分析结构修改铺层方式。一、复合材料结构设计流程③层合板的设计方法复合材料设计的基本原则是根据复合材料结构的设计要求和载荷条件，确定最佳的铺层设计。为了达到最佳设计，更好的设计方法是把各个材料参数作为设计变量，采用优化方法进行设计。根据实际需要层合板可按刚度、强度、稳定性或某些特殊要求来设计。常用层合板设计方法见下表。一、复合材料结构设计流程③层合板的设计方法序设计方法方法要点说明1等代设计采用准各性同性层合板按刚度等代铝板2准网格设计设计中仅考虑纤维承载能力，按应力比确定0、90、45纤维铺层比例3刚度设计毯式曲线设计以面内刚度为主，设计铺层比例与面内强、刚度关系曲线，查出所需铺层比例层合板初步设计方法4强度设计强度计算涉及强度准则、层合板理论、刚度退化模型等金属结构设计常用5气弹剪裁设计利用层合板耦合刚度满足气弹要求的铺层翼面设计6多约束优化设计满足强度、刚度、稳定性、振动、气弹等多约束目标最小结构重量优化设计适用的分析程序一、复合材料结构设计流程④层合板特征设计许用应变设计变厚度设计开口设计实心边缘开口设计下陷区设计单向加筋板设计一、复合材料结构设计流程④层合板特征设计许用应变设计复合材料结构设计