6-復合材料結構設計課件

第6章復合材料結構設計§6.1概述§6.2材料設計§6.3結構設計第6章復合材料結構設計§6.1概述§6.1概述6.1.1復合材料結構設計過程6.1.2設計條件§6.1概述6.1.1復合材料結構設計過程復合材料結構設計是選用不同材料綜合各種設計(如層合板設計，典型結構件設計、連接設計等)的反復過程。在綜合過程中必須考慮的一些主要因素有：結構質量、研制成本、制造工藝、結構鑒定、質量控制、工裝模具的通用性及設計經驗等。復合材料結構設計的綜合過程如圖所示，大致分為三個步驟：6.1.1復合材料結構設計過程2009-12-123.復合材料結構設計是選用不同材料綜合各種設計(如層合板設計，典6.1.1復合材料結構設計過程明確設計條件材料設計1234結構設計應力應變及失效分析2009-12-124.6.1.1復合材料結構設計過程明確設計條件1234結構設計6.1.2設計條件設計條件結構性能要求載荷情況環(huán)境條件結構的可靠性與經濟性2009-12-125.6.1.2設計條件設計條件結構性能要求載荷情況環(huán)境條件結構A結構性能要求結構所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內的安全提供裝置各種配件、儀器等附件的空間，對結構形狀和尺寸有一定的限制隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護內部物體6.1.2設計條件2009-12-126.A結構性能要求6.1.2設計條件2009-12-126.B載荷情況靜載荷：緩慢地由零增加到某一定數(shù)值以后就保持不變或變動得不顯著的載荷。動載荷：能使構件產生較大的加速度，并且不能忽略由此而產生的慣性力的載荷。6.1.2設計條件2009-12-127.B載荷情況6.1.2設計條件2009-12-127.C環(huán)境條件力學條件：加速度、沖擊、振動、聲音等物理條件：壓力、溫度、濕度等氣象條件：風雨、冰雪、日光燈等大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風沙等6.1.2設計條件2009-12-128.C環(huán)境條件6.1.2設計條件2009-12-128.6.1.2設計條件D結構的可靠性與經濟性結構的可靠性：指結構在所規(guī)定的使用壽命內，在給予的載荷情況和環(huán)境條件下，充分實現(xiàn)所預期的性能時結構正常工作的能力。這種能力用一種概率來度量稱為結構的可靠度。結構設計的合理性最終表現(xiàn)在可靠性和經濟性兩方面。一般來說，要提高可靠性就得增加初期成本，而維修成本是隨可靠性增加而降低的，所以總成本最低時(即經濟性最好)可靠性最為合理。2009-12-129.6.1.2設計條件D結構的可靠性與經濟性2009-12-§6.2材料設計6.2.1原材料的選擇與復合材料性能6.2.2單層性能的確定6.2.3復合材料層合板設計§6.2材料設計6.2.1原材料的選擇與復合材料性能A原材料的選擇原則比強度、比剛度高材料與結構的使用環(huán)境相適應滿足結構特殊性要求滿足工藝性要求成本低、效益高6.2.1原材料的選擇與復合材料性能2009-12-12.11A原材料的選擇原則6.2.1原材料的選擇與復合材料性能2B纖維選擇首先確定纖維的類別，其次確定纖維的品種規(guī)格6.2.1原材料的選擇與復合材料性能2009-12-12.12良好的透波、吸波性能E或S玻璃纖維、凱夫拉纖維、氧化鋁纖維等高剛度高模量碳纖維、硼纖維高抗沖擊性玻璃纖維、凱夫拉纖維B纖維選擇6.2.1原材料的選擇與復合材料性能2009-B纖維選擇首先確定纖維的類別，其次確定纖維的品種規(guī)格6.2.1原材料的選擇與復合材料性能2009-12-12.13低溫工作性能低溫不脆化的碳纖維尺寸對溫度不敏感凱夫拉纖維或碳纖維(熱膨脹系數(shù)可為負值)高強度、高剛度碳纖維或硼纖維(比強度和比剛度)B纖維選擇6.2.1原材料的選擇與復合材料性能2009-項目玻璃/樹脂凱夫拉49/樹脂碳/樹脂成本低中等高密度大小中等加工容易困難較容易抗沖擊性能中等好差透波性良好最佳不透電波可選用形式多厚度規(guī)格較少厚度規(guī)格較少使用經驗豐富不多較多強度較好比拉伸強度最高比壓縮強度最低比拉伸強度最高比壓縮強度最高剛度低中等高斷裂伸長率大中等小耐濕性差差好熱膨脹系數(shù)適中沿纖維方向接近零沿纖維方向接近零表6-1幾種纖維增強樹脂的特點2009-12-12.14項目玻璃/樹脂凱夫拉49/樹脂碳/樹脂成本低中等高密度大小中6.2.1原材料的選擇與復合材料性能2009-12-12.15C樹脂選擇主要有熱固性和熱塑性樹脂可供選擇要求基體材料能在使用溫度范圍內正常工作要求基體材料具有一定的力學性能要求基體材料的斷裂伸長率大于或接近纖維的斷裂伸長率要求基體材料具有滿足使用要求的物理、化學性能要求具有一定的工藝性6.2.1原材料的選擇與復合材料性能2009-12-12.前面章節(jié)所使用的混合法則，即單層性能與體積含量成線性關系的法則，僅適用于較為特殊的一類復合材料。對于一般的層合結構復合材料，已知原材料的性能欲確定單層的性能時較為困難的。然而，設計的初步階段，為了層合板設計、結構設計的需要，必須提供必要的單層性能參數(shù)，特別是剛度和強度參數(shù)。為此，通常需要利用細觀力學方法推得的預測公式來進行計算。而在最終設計階段，單層性能的確定需要用試驗的方法直接測定。6.2.2單層性能的確定2009-12-12.16前面章節(jié)所使用的混合法則，即單層性能與體積含量成線性關系的法A單層樹脂含量的選擇一般根據(jù)單層的承力性質或單層的使用功能選取6.2.2單層性能的確定2009-12-12.17單層的功用固化后樹脂的質量含量(%)主要承受拉伸、壓縮、彎曲載荷27主要承受剪切載荷30用作受力構件的修補35主要用作外表層防機械損傷和大氣老化70主要用作防腐蝕70~90A單層樹脂含量的選擇6.2.2單層性能的確定2009-1體積含量與質量含量之間的關系為：6.2.2單層性能的確定2009-12-12.18(6-1)

式中：另外，在最終設計階段，一般為了單層性能參數(shù)的真實可靠，使設計更為合理，單層性能的確定需用試驗的方法?？梢罁?jù)國家標準GB3352-88和GB3355-88來執(zhí)行。體積含量與質量含量之間的關系為：6.2.2單層性能的確定2B剛度的預測公式選擇代表性體積單元如右圖所示6.2.2單層性能的確定2009-12-12.19

(6-2)

式中：B剛度的預測公式6.2.2單層性能的確定2009-12-6.2.2單層性能的確定2009-12-12.20式(6-2)可改寫為下面形式：(6-3)式中：(6-4)分別為單層的纖維體積含量和基體體積含量。②纖維和基體有相同的線應變，且都等于單元的縱向線應變，于是有：(6-5)6.2.2單層性能的確定2009-12-12.20式(6-6.2.2單層性能的確定2009-12-12.21③單層、纖維和基體都是線彈性的，都服從胡克定律，于是有：(6-6)將式(6-5)和(6-6)代入式(6-3)可得：(6-7)由于(6-8)所以式(6-7)又可寫為：(6-9)6.2.2單層性能的確定2009-12-12.21③單層、6.2.2單層性能的確定2009-12-12.22確定E2代表性體積單元的作用應力為σ2，纖維和基體的彈性模量分別為Ef和Em，求橫向彈性模量E2。從宏觀角度看：(6-10)從細觀角度看：(6-11)6.2.2單層性能的確定2009-12-12.22確定E26.2.2單層性能的確定2009-12-12.23所以：(6-12)各部分同樣滿足胡克定律：(6-13)即可得：(6-14)或改寫為：(6-15)6.2.2單層性能的確定2009-12-12.23所以：(6.2.2單層性能的確定2009-12-12.24變形得：(6-16)實驗證明，E1的計算公式(6-9)與實驗值基本相符，而E2的計算公式(6-16)與實驗值差別較大，計算值偏低，為此，可利用如下的經驗公式計算：(6-17)式中：(6-18)η2由實驗確定，玻璃/環(huán)氧可取0.5，碳/環(huán)氧可取0.976.2.2單層性能的確定2009-12-12.24變形得：6.2.2單向層的工程彈性常數(shù)預測公式2009-12-12.25工程彈性常數(shù)預測公式說明縱向彈性模量此式基本符合試驗測定值橫向彈性模量按此式預測的值往往低于試驗測定值，對此可改用修正公式(6-17)(6-18)縱向泊松比此式基本符合試驗測定值橫向泊松比此式為工程彈性常數(shù)之間的關系式面內剪切彈性模量按此式預測的值往往低于試驗測定值，對此可改用修正公式(6-17a)(6-18a)6.2.2單向層的工程彈性常數(shù)預測公式2009-12-126.2.2單層性能的確定2009-12-12.26(6-17a)(6-18a)6.2.2單層性能的確定2009-12-12.26(6-16.2.2單層性能的確定2009-12-12.27C強度的預測公式縱向拉伸強度：(6-19)(6-20)

6.2.2單層性能的確定2009-12-12.27C強度6.2.2單層性能的確定2009-12-12.28(6-21)(6-22)

式中：6.2.2單層性能的確定2009-12-12.28(6-2A層合板設計的一般原則鋪層定向原則均衡對稱鋪設原則鋪層取向按承載選取原則鋪層最小比例原則鋪設順序原則沖擊載荷區(qū)設計原則防邊緣分層破壞原則抗局部屈曲設計原則連接區(qū)設計原則變厚度設計原則6.2.3復合材料層合板設計2009-12-12.29A層合板設計的一般原則6.2.3復合材料層合板設計200B等代設計法C準網絡設計法D毯式曲線設計法E主應力設計法F層合板排序設計法G層合板優(yōu)化設計法6.2.3復合材料層合板設計2009-12-12.30B等代設計法6.2.3復合材料層合板設計2009-12-§6.3結構設計6.3.1結構設計的一般原則6.3.2結構設計應考慮的工藝性要求6.3.3許用值與安全系數(shù)的確定6.3.4典型結構件的設計6.3.5各種結構形式的選擇6.3.6結構設計與應考慮的其它因素§6.3結構設計6.3.1結構設計的一般原則6.3.1結構設計的一般原則2009-12-12.321)復合材料結構一般采用按使用載荷設計，按設計載荷校核的方法。使用載荷是指正常使用中可能出現(xiàn)的最大載荷，在該載荷下結構不應產生殘余變形。設計載荷是指設計中用來進行強度計算的載荷，在這種載荷下材料剛開始或接近破壞。6.3.1結構設計的一般原則2009-12-12.321)6.3.1結構設計的一般原則2009-12-12.332)按使用載荷設計時，采用使用載荷所對應的許用值稱為使用許用值；按設計載荷校核時，采用設計載荷所對應的許用值，稱為設計許用值。許用值是計算中允許采用的性能值，由一定的試驗數(shù)據(jù)確定。使用許用值與設計許用值由相應環(huán)境條件下的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到。6.3.1結構設計的一般原則2009-12-12.332)

6.3.1結構設計的一般原則2009-12-12.34

6.3.1結構設計的一般原則2009-12-12.34工藝性包括構件的制造工藝性和裝配工藝性。復合材料結構設計時結構方案的選取和結構細節(jié)的設計對工藝性的好壞也有重要影響。主要應考慮的工藝性要求如下：構件的拐角應具有較大的圓角半徑，避免在拐角處出現(xiàn)纖維斷裂、富樹脂、架橋等缺陷；對于外形復雜的復合材料構件設計，應考慮制造工藝上的難易程度，可采用合理的分離面分成兩個或兩個以上構件；對于曲率較大的曲面應采用織物鋪層；對于外形突變處應采用光滑過度；對于壁厚變化應避免突變，可采用階梯型變化；結構件的兩面角應設計成直角或鈍角······6.3.2結構設計應考慮的工藝性要求2009-12-12.35工藝性包括構件的制造工藝性和裝配工藝性。復合材料結構設計時結A許用值的確定許用值是結構設計的關鍵要素之一，是判斷結構強度的基準。因此正確地確定許用值是結構設計和強度計算的重要任務之一。安全系數(shù)也是一項非常重要的工作。(1)拉伸時許用值的確定方法取下述三種情況得到的最小值①開孔試樣在環(huán)境條件下進行單軸拉伸試驗，測定其斷裂應變，并除以安全系數(shù)，經統(tǒng)計分析得出使用許用值。②非缺口試樣在環(huán)境條件下進行單軸拉伸試驗，測定其集體不出現(xiàn)明顯微裂紋所能達到的最大應變值，經統(tǒng)計分析得到使用許用值。6.3.3許用值與安全系數(shù)的確定2009-12-12.36A許用值的確定6.3.3許用值與安全系數(shù)的確定2009-③開孔試樣在環(huán)境條件下進行拉伸兩倍疲勞壽命試驗，測定其所能達到的最大應變值，經統(tǒng)計分析得到使用許用值。(2)壓縮時許用值的確定方法取三種情況得到的最小值(3)剪切時許用值的確定方法取兩種情況得到的較小值6.3.3許用值與安全系數(shù)的確定2009-12-12.37③開孔試樣