復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第1頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月李順林王興業(yè)主編劉錫禮劉德安主審武漢理工大學(xué)出版社教材復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)主講教師：葛曷一，任保勝第2頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月課程先修力學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容提要從材料力學(xué)基礎(chǔ)出發(fā)，介紹復(fù)合材料力學(xué)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)和復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)的基本知識。具體：復(fù)合材料經(jīng)典層合板理論、剛度和強(qiáng)度的計(jì)算方法、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)元件的分析和典型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本步驟和方法等內(nèi)容。材料力學(xué)和彈性力學(xué)第3頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月

在《娛樂至死》節(jié)目中，美國學(xué)者尼爾·波茲曼提到了娛樂遵循的三原則：第一，你不能有前提條件，觀眾在觀看你的節(jié)目時，不需要具備其他知識；第二，你不能給觀眾出難題，動腦筋的事兒別涉及；第三你應(yīng)該像躲避瘟神一樣避開闡述、爭論、假設(shè)、討論、說理、辯駁或其他傳統(tǒng)演說方法。

在《復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》講授中，我們同樣指出學(xué)習(xí)必須遵循的三原則：第一，你一定有前提條件，學(xué)生在聽講課時，必須需要具備其他知識；第二，你一定給學(xué)生出難題，動腦筋的事兒特別多；第三你應(yīng)該像迎接丘比特一樣喜愛闡述、假設(shè)、討論、推理、計(jì)算或其他方法。第4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1、緒論1.1復(fù)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(xué)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(xué)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(qiáng)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5頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月用途結(jié)構(gòu)復(fù)合材料功能復(fù)合材料分類以其聲、光、電、熱、磁等物理特性為工程所應(yīng)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。以其力學(xué)性能如強(qiáng)度、剛度、形變等特性為工程所應(yīng)用，主要用于結(jié)構(gòu)承力或維持結(jié)構(gòu)外形。第6頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月組成基體材料(連續(xù)相)增強(qiáng)材料(分散相)分類粘結(jié)、保護(hù)纖維，并傳遞應(yīng)力第7頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料復(fù)合材料高聚物基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料橡膠基復(fù)合材料熱固性樹脂基復(fù)合材料熱塑性樹脂基復(fù)合材料第8頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料復(fù)合材料連續(xù)纖維復(fù)合材料不連續(xù)纖維復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)復(fù)合材料顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料彌散強(qiáng)化復(fù)合材料多向編織復(fù)合材料短切纖維復(fù)合材料晶須復(fù)合材料顆粒直徑范圍1~50μm，顆粒體積含量25％~70%，增強(qiáng)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(qiáng)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(yùn)動而起到增強(qiáng)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9頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)強(qiáng)調(diào)基體

即強(qiáng)調(diào)了基體材料的種類和特征命名(2)強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)體

即強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)材料的種類和性質(zhì)酚醛樹脂基復(fù)合材料、鋁合金基復(fù)合材料等碳纖維復(fù)合材料、金屬纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料等第10頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)基體與增強(qiáng)體并用

即同時出現(xiàn)基體材料和增強(qiáng)體材料碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料等。(4)俗稱玻璃鋼就是玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的俗稱第11頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2復(fù)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(jì)末期出現(xiàn)由纖維增強(qiáng)橡膠制成的輪胎、橡膠布。第12頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代

20世紀(jì)40年代初，美國首先用玻璃纖維增強(qiáng)塑料制造飛機(jī)雷達(dá)天線罩。之后，玻纖增強(qiáng)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(jì)各部門。我國先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用和研究是從20世紀(jì)60年代末期開始的。第13頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月我國復(fù)合材料的發(fā)展?jié)摿蜔狳c(diǎn)復(fù)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(fù)合材料市場纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用復(fù)合材料綜合處理與再生第14頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料創(chuàng)新包括復(fù)合材料的技術(shù)發(fā)展、復(fù)合材料的工藝發(fā)展、復(fù)合材料的產(chǎn)品發(fā)展和復(fù)合材料的應(yīng)用，具體要抓住樹脂基體發(fā)展創(chuàng)新、增強(qiáng)材料發(fā)展創(chuàng)新、生產(chǎn)工藝發(fā)展創(chuàng)新和產(chǎn)品應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)新。第15頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月聚丙烯腈基纖維發(fā)展

我國碳纖維工業(yè)發(fā)展緩慢，與發(fā)達(dá)國家比較存在很大差距。國內(nèi)碳纖維發(fā)展過程中國PAN基CF市場概況、特點(diǎn)大力發(fā)展聚丙烯腈基纖維既有需要也有可能。第16頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月玻璃纖維結(jié)構(gòu)調(diào)整

改進(jìn)和發(fā)展紗類、機(jī)織物、無紡氈、編織物、縫編織物、復(fù)合氈，推進(jìn)玻纖與玻鋼兩行業(yè)密切合作，促進(jìn)玻璃纖維增強(qiáng)材料的新發(fā)展。第17頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月開發(fā)能源、交通用復(fù)合材料市場清潔、可再生能源用復(fù)合材料；汽車、城市軌道交通用復(fù)合材料；民航客機(jī)用復(fù)合材料；船艇用復(fù)合材料。第18頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月纖維復(fù)合材料基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用國內(nèi)外復(fù)合材料在橋梁、房屋、道路中的基礎(chǔ)應(yīng)用廣泛，與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是在橋梁上和在房屋補(bǔ)強(qiáng)、隧道工程以及大型儲倉修補(bǔ)和加固中市場廣闊。

第19頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月復(fù)合材料綜合處理與再生重點(diǎn)發(fā)展物理回收（粉碎回收）、化學(xué)回收（熱裂解）和能量回收，加強(qiáng)技術(shù)路線、綜合處理技術(shù)研究，示范生產(chǎn)線建設(shè)，再生利用研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的應(yīng)用、在拉擠制品中的應(yīng)用以及在SMC/BMC模壓制品中的應(yīng)用和典型產(chǎn)品中的應(yīng)用。第20頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)纖維增強(qiáng)塑料是由高強(qiáng)度、脆性、低密度的纖維材料與低強(qiáng)度、低模量、低密度、韌性較好的樹脂基體所組成。1.3.1比強(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料比強(qiáng)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(qiáng)度較高。復(fù)合材料在飛機(jī)上使用量已作為當(dāng)代飛機(jī)先進(jìn)性的指標(biāo)之一第21頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月材料名稱比強(qiáng)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22頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)(1)復(fù)合材料既是一種材料又是一種結(jié)構(gòu)(2)復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性(3)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含材料設(shè)計(jì)第23頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月單層的種類(a)無緯單層(b)經(jīng)緯交織單層層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料由纖維與基體所組成的單層以不同方向?qū)雍隙傻?4頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際工程中，絕大多數(shù)復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)件是一次完成的。層合板是復(fù)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(qiáng)度，然后分析層合板的剛度與強(qiáng)度．再分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的剛度與強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，討論單層設(shè)計(jì)、層合板設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本課程講授內(nèi)容：第25頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月可設(shè)計(jì)性好

復(fù)合材料區(qū)別于傳統(tǒng)材料的根本特點(diǎn)之一設(shè)計(jì)人員可根據(jù)所需制品對力學(xué)及其它性能的要求，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時對材料本身進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體體現(xiàn)在兩個方面力學(xué)設(shè)計(jì)給制品一定的強(qiáng)度和剛度功能設(shè)計(jì)給制品除力學(xué)性能外的其他性能第26頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月組分材料和鋪層方向可按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇。選擇不同的基體材料與增強(qiáng)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(fù)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(xué)、力學(xué)等方面)，使其真正復(fù)合成一個整體，成為一種新材料。第27頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3復(fù)合材料力學(xué)性能的特點(diǎn)(1)各向異性性能(2)非均質(zhì)性(3)層間強(qiáng)度低第28頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月材料彈性主方向：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(dá)材料彈性性能獨(dú)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29頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月耦合變形的示例對于復(fù)合材料中的每個單層，表達(dá)材料彈性性能的獨(dú)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30頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)非均質(zhì)性(3)層間強(qiáng)度低層合結(jié)構(gòu)復(fù)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(shè)計(jì)時，應(yīng)盡量減小層間應(yīng)力，或采取某些構(gòu)造措施，以避免層間分層破壞。第31頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.4幾個基本假設(shè)研究復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度時，基本假設(shè)：(1)假設(shè)層合板是連續(xù)的。由于連續(xù)性假設(shè)，使數(shù)學(xué)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(xué)工具都能應(yīng)用于力學(xué)分析中。(2）假設(shè)單向?qū)雍习迨蔷鶆虻模嘞驅(qū)雍习迨欠侄尉鶆虻摹?3)假設(shè)限于單向?qū)雍习迨钦桓飨虍愋缘模杭凑J(rèn)為單向?qū)雍习寰哂袃蓚€相互垂直的彈性對稱面。第32頁，課件共34頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)假設(shè)限于層合板是線彈性的：即認(rèn)為層合板在外力作用下產(chǎn)生的變形與外力成正比關(guān)系，且當(dāng)外力移去后，層合板能夠完全恢復(fù)其原來形狀。(5)假設(shè)層合板的變形是很小的。上述五個基本假設(shè)，只有多向?qū)雍习宓姆侄尉?/p>