材料力結(jié)構(gòu)設計

材料力結(jié)構(gòu)設計第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日李順林王興業(yè)主編劉錫禮劉德安主審武漢理工大學出版社教材復合材料結(jié)構(gòu)設計基礎主講教師：葛曷一曹篤霞第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日課程先修力學基礎內(nèi)容提要

從材料力學基礎出發(fā)，介紹復合材料力學、復合材料結(jié)構(gòu)力學和復合材料構(gòu)件設計的基本知識。具體：復合材料經(jīng)典層合板理論、剛度和強度的計算方法、復合材料結(jié)構(gòu)元件的分析和典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計的基本步驟和方法等內(nèi)容。材料力學和彈性力學第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1、緒論1.1復合材料(CompositeMaterials)定義、分類與命名(1)由兩種或兩種以上具有不同的化學或物理性質(zhì)的組分材料組成的一種與組分材料性質(zhì)不同的新材料，且各組分材料之間具有明顯的界面。(2)兩種或兩種以上不同化學性質(zhì)或不同組織相的物體，以微觀形式或宏觀形式組合而成的材料。（3）有連續(xù)相的基體(如聚合物－樹脂、金屬、陶瓷等)與分散相的增強體材料(如各種纖維、織物及粉末填料等)組成的多相體系。定義第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日用途結(jié)構(gòu)復合材料功能復合材料分類

以其力學性能如強度、剛度、形變等特性為工程所應用，主要用于結(jié)構(gòu)承力或維持結(jié)構(gòu)外形。

以其聲、光、電、熱、磁等物理特性為工程所應用，用于如絕熱、透波、耐腐蝕、耐磨、減振或熱變形等熱、聲、光、電、磁的功能要求。第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日組成基體材料(連續(xù)相)增強材料(分散相)分類粘結(jié)、保護纖維，并傳遞應力第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日金屬基復合材料非金屬基復合材料復合材料高聚物基復合材料陶瓷基復合材料樹脂基復合材料橡膠基復合材料熱固性樹脂基復合材料熱塑性樹脂基復合材料第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日顆粒增強復合材料纖維增強復合材料復合材料連續(xù)纖維復合材料不連續(xù)纖維復合材料層合結(jié)構(gòu)復合材料纏繞結(jié)構(gòu)復合材料顆粒強化復合材料彌散強化復合材料多向編織復合材料短切纖維復合材料晶須復合材料

顆粒直徑范圍1~50μm，顆粒體積含量25％~70%，增強顆粒之間的距離一般大于1μm。顆粒的作用：由于顆粒本身的剛硬阻止基體變形而起到增強作用。顆粒直徑范圍0.01~0.1μm，顆粒體積含量1％~15％。顆粒的作用：阻止基體材料的位錯運動而起到增強作用。由無緯布或纖維織物鋪疊而成由纖維粗紗纏繞或纖維織物帶按一定纏繞規(guī)律卷繞而成由纖維在三維多方向編織而成第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日(1)強調(diào)基體

即強調(diào)了基體材料的種類和特征命名(2)強調(diào)增強體

即強調(diào)增強材料的種類和性質(zhì)酚醛樹脂基復合材料、鋁合金基復合材料等碳纖維復合材料、金屬纖維復合材料、玻璃纖維復合材料等第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日(3)基體與增強體并用

即同時出現(xiàn)基體材料和增強體材料碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料、玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂復合材料等。(4)俗稱玻璃鋼就是玻璃纖維增強樹脂基復合材料的俗稱第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1.2復合材料的發(fā)展簡史與現(xiàn)狀古代泥坯(稻草摻入泥中)、弓(木材為芯，在受拉面膠有平行的纖維)。近代十九世紀末期出現(xiàn)由纖維增強橡膠制成的輪胎、橡膠布。第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日現(xiàn)代20世紀40年代初，美國首先用玻璃纖維增強塑料制造飛機雷達天線罩。之后，玻纖增強塑料（我國俗稱玻璃鋼）廣泛用于航空、造船、汽車、化工、電器等國防和國民經(jīng)濟各部門。我國先進復合材料的應用和研究是從20世紀60年代末期開始的。第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日我國復合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c復合材料創(chuàng)新聚丙烯腈基纖維發(fā)展

玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整

開發(fā)能源、交通用復合材料市場纖維復合材料基礎設施應用復合材料綜合處理與再生第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日復合材料創(chuàng)新包括復合材料的技術發(fā)展、復合材料的工藝發(fā)展、復合材料的產(chǎn)品發(fā)展和復合材料的應用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展創(chuàng)新、增強材料發(fā)展創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)品應用發(fā)展創(chuàng)新。第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日聚丙烯腈基纖維發(fā)展

我國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，從CF發(fā)展回顧、特點、國內(nèi)碳纖維發(fā)展過程、中國PAN基CF市場概況、特點、“十五”科技攻關情況看，發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整

改進和發(fā)展紗類、機織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復合氈，推進玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進玻璃纖維增強材料的新發(fā)展。第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日開發(fā)能源、交通用復合材料市場

清潔、可再生能源用復合材料；汽車、城市軌道交通用復合材料；民航客機用復合材料；船艇用復合材料。第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日纖維復合材料基礎設施應用

國內(nèi)外復合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎應用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點，特別是在橋梁上和在房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固中市場廣闊。

第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日復合材料綜合處理與再生

重點發(fā)展物理回收（粉碎回收）、化學回收（熱裂解）和能量回收，加強技術路線、綜合處理技術研究，示范生產(chǎn)線建設，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的應用、在拉擠制品中的應用以及在SMC/BMC模壓制品中的應用和典型產(chǎn)品中的應用。第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1.3復合材料及其結(jié)構(gòu)設計的特點纖維增強塑料是由高強度、脆性、低密度的纖維材料與低強度、低模量、低密度、韌性較好的樹脂基體所組成。1.3.1比強度高、比模量高34510203040E/r(106cm)鋼鋁玻璃/環(huán)氧Al2O3晶須/NiAl2O3晶須/鋁碳化硼/鋁硼/環(huán)氧碳/環(huán)氧鈹硼/鉬硼/鎳硼/鋁σ/r(106cm)234510幾種常用材料和纖維增強復合材料比強度、比模量的比較(1)組分材料密度都較低；(2)由于纖維具有很小的直徑，其內(nèi)部缺陷要比塊狀形式的材料少得多，所以強度較高。復合材料在飛機上使用量已作為當代飛機先進性的指標之一第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日材料名稱比強度比模量鋼0.130.27鋁0.170.26玻纖/聚酯CM0.530.21碳纖/環(huán)氧CM1.030.21第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1.3.2復合材料結(jié)構(gòu)設計的特點(1)復合材料既是一種材料又是一種結(jié)構(gòu)(2)復合材料具有可設計性(3)復合材料結(jié)構(gòu)設計包含材料設計第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日單層的種類(a)無緯單層(b)經(jīng)緯交織單層層合結(jié)構(gòu)復合材料由纖維與基體所組成的單層以不同方向?qū)雍隙傻诙摚踩?，編輯?023年，星期日

實際工程中，絕大多數(shù)復合材料及其結(jié)構(gòu)件是一次完成的。層合板是復合材料結(jié)構(gòu)件的基本單元．而單層又是層合板的基本單元。

首先分析單層的剛度與強度，然后分析層合板的剛度與強度．再分析復合材料結(jié)構(gòu)件的剛度與強度。在此基礎上，討論單層設計、層合板設計與結(jié)構(gòu)設計。

本課程講授內(nèi)容：第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日可設計性好

復合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的根本特點之一設計人員可根據(jù)所需制品對力學及其它性能的要求，對結(jié)構(gòu)設計的同時對材料本身進行設計。具體體現(xiàn)在兩個方面力學設計——給制品一定的強度和剛度功能設計——給制品除力學性能外的其他性能第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日

組分材料和鋪層方向可按照設計要求進行選擇。選擇不同的基體材料與增強材料以及它們的含量比，不同的鋪層方向與構(gòu)成形式，可以構(gòu)成不同性能的復合材料。組分材料有其自己的固有特性，而且組分材料之間要彼此相容(包括物理、化學、力學等方面)，使其真正復合成一個整體，成為一種新材料。第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1.3.3復合材料力學性能的特點(1)各向異性性能(2)非均質(zhì)性(3)層間強度低第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日

材料彈性主方向：模量較大的一個主方向稱為縱向，用字母L表示，與其垂直的另一主方向稱為橫向，用字母T表示。(1)各向異性性能

通常的各向同性材料中，表達材料彈性性能獨立的工程彈性常數(shù)有兩個：E(彈性模量)和ν(泊松比)或剪切彈性模量G。第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日耦合變形的示例

對于復合材料中的每個單層，表達材料彈性性能的獨立的工程彈性常數(shù)有四個：縱向彈性模量EL、橫向彈性模量ET、縱向泊松比

νL(或橫向泊松比ν

T)、面內(nèi)剪切彈性模量GLT。耦合現(xiàn)象：拉剪耦合與剪拉耦合、彎扭耦合與扭彎耦合第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日(2)非均質(zhì)性(3)層間強度低層合結(jié)構(gòu)復合材料在一種外力作用下，除了引起本身的基本變形外，還可能引起其他基本變形。耦合變形：在結(jié)構(gòu)設計時，應盡量減小層間應力，或采取某些構(gòu)造措施，以避免層間分層破壞。第三十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日1.3.4幾個基本假設研究復合材料的剛度和強度時，基本假設：(1)假設層合板是連續(xù)的。由于連續(xù)性假設，使數(shù)學分析中的一些連續(xù)性概念、極限概念以及微積分等數(shù)學工具都能應用于力學分析中。(2）假設單向?qū)雍习迨蔷鶆虻?，多向?qū)雍习迨欠侄尉鶆虻摹?3)假設限于單向?qū)雍习迨钦桓飨虍愋缘模杭凑J為單向?qū)雍习寰哂袃蓚€相互垂直的彈性對稱面。第三十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期日(4)假設限于層合板是線彈性的：即認為層合板在外力作用下產(chǎn)生的變形與外力成正比關系，且當外力移去后，層合板能夠完全恢復其原來形狀。(5)假設層合板的變形是很小的。上述五個基本假設，只有多向?qū)雍习宓姆侄尉鶆蛐约僭O和單向?qū)雍习宓恼桓飨虍愋约僭O，與材料力學中的均勻性假設和各