完整版12级复合材料结构设计参考资料.docx

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完整版12级复合材料结构设计参考资料

复合材料结构设计参考资料

复合材料与工程

考试形式

笔试闭卷

考试时间和地点

时间：

2015年6月25日14:

00--15:

40

地点：

材料学院A107

题型与分数分布

一．名词解释

二．填空题

三．简答题

四．计算题

一、绪论

1.复合材料：

由两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。

一相为连续相，称为基体；起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。

一相为分散相，称为增强体（增强相）或功能体。

是以独立的形态分布在整个连续相中的，两相之间存在着相界面。

（分散相可以是增强纤维，也可以是颗粒状或弥散的填料）

主要起承受载荷的作用，赋予复合材料以一定的物理、化学功能。

2.复合材料分类：

A按基体材料分：

树脂基的复合材料、金属基复合材料、无机非金属复合材料

B按分散相形态分：

连续纤维增强、纤维织物增强、片状材料增强、短纤维增强、颗粒增强

C按增强体材料种类分类：

玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维。

D按用途分类：

结构复合材料：

利用复合材料的各种良好力学性能用于制造结构的材料。

功能复合材料：

指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料

3.复合材料的结构层次：

三次结构：

纤维缠绕压力容器，即平常所说的制品结构（a）

二次结构：

从容器壁上切取的壳元即是由若干具有不同纤维方向的单层材料按一定顺序叠合而成的层合板（b）

一次结构：

层合板的一个个铺层，是层合板的基本单元（c）

二、单层板的宏观力学分析

1.单层板的正轴刚度

正向:

也就是说应力方向与坐标方向一致方向为正向，相反为负向。

正面：

截面外法线方向与坐标轴方向一致的面，否则为负面。

σ1和σ2——表示正应力分量:

拉伸为正，压缩为负，也就是使整个单层板产生拉伸时的应力为正应力，而使单层板产生压缩时的应力为负应力。

τ12——表示剪应力分量:

其中正面正向为正；负面负向也为正。

A．力学实验

a.纵向单轴试验：

纵向泊松比v1是单层板由于纵向单轴应力σ1而引起的横向线应变ε2

（1）与纵向线应变ε1

（1）的比值。

（ε2

（1）表示的是这个应变是由纵向应力σ1引起的）

b.横向单轴试验

c.面内剪切实验

由试验测的面内剪切弹性模量，反应了单层板在其面内的抗剪切刚度特性。

在相同的τ12下，G12越大，γ12越小。

B虎克定律的推导

a.单层板正轴向的应变-应力关系（用柔量分量或柔度分量）

b.单层板正轴向的应力-应变关系（用模量分量或刚度分量）

C．工程弹性常数与柔量分量及模量分量的关系

2.单层板的偏轴刚度（材料非主方向上的刚度）

A正轴/偏轴转换公式

B．偏轴工程弹性常数、柔量、模量推导

偏轴工程弹性常数：

是单层在偏轴向受单轴应力或剪切应力时的材料刚度性能参数

偏轴柔量：

由偏轴应力给出偏轴应变的应变-应力关系式确定的

偏轴模量：

由偏轴应变给出偏轴应变的应力-应变关系式确定的

3.单层板强度

A正交各向异性单层板在平面应力状态的基本强度指标：

纵向拉伸强度Xt、纵向压缩强度Xc、横向拉伸强度Yt、横向压缩强度Yc、面内剪切强度S

B强度比（R）：

单层在施加应力的作用下，极限应力的某一分量与其对应的施加应力的分量之比称为强度/应力比

三、层合板的宏观力学分析

1.层合板是由两层或者两层以上按不同方向配置的单层板层合形成的整体的结构单元。

（单层板的性能与组分材料及材料主方向有关）

中面：

对层合板进行力学性能分析时，离层合板的两个表面等距离的平面。

2.层合板的简明标记方法：

偶数层对称层合板：

对称铺层只写出一半，括号外加写下标“s”表示对称。

奇数层对称层合板：

在对称中面上的铺层用顶标“－”表示。

非对称层合板，必须在标记中标明全部铺层组的铺设顺序。

例如：

[05/902/45/90/03]。

这种层合板标记，仅表明由底面向上至顶面的铺设顺序，而不能相反。

铺设参数:

层数\铺层材料、主方向、铺层纤维种类、叠放次序

3.层合板的种类

A对称层合板：

指层合板中面两侧对应处的各单层材料相同、厚度相同、铺层角相等层合板

a正交对称层合板——只有相互垂直的两种铺层方向的对称层合板，如[0/90/0]s

b对称均衡层合板是指-ϴ单层数和+ϴ单层数相同的对称层合板，均衡层合板还可以包含任意量的0度和90度的层。

c对称均衡斜交层合板——仅仅由相同数量的-ϴ单层数到+ϴ单层数组成的对称均衡层合板，不包含0度和90度的层，如[-ϴ/+ϴ]2s

B非对称层合板

C夹芯层合板:

由两层薄的高强度高弹性模量材料的面板和中间夹着一层厚而密度低的芯子所组成的结构。

（这种结构物可以大幅度提高层合板结构的抗弯刚度和充分利用材料的强度，并增加了层合板的受压稳定性）

4.对称层合板面内工程弹性常数（面内力：

作用力的合力作用线位于层合板的几何中面内）

5.典型对称层合板的面内刚度

A正交对称层合板：

只含有0度和90度单层的对称层合板。

当将层合板的参考坐标轴置于某一单层的纤维方向上时，则各单层的偏轴角为ϴ1=0°，ϴ2=90°。

B斜交铺设对称层合板：

方向角大小相等而符号相反（即ϴ=±φ），且体积含量相同的两单层组构成的。

C准各向同性层合板:

是指层合板面内各个方向的刚度相同的对称层合板。

D一般π/4层合板:

各个单层均按0°、90°、45°、-45°方向的一种或者几种铺设的对称层合板称为一般π/4层合板。

它是目前工程上主要应用的一类层合板，如果各个单层组的材料和厚度相同时，称为标准的π/4层合板，也是准各向同性层合板。

0°方向的单层用来承受轴向载荷；90°方向的单层用来承受横向载荷；±45°单层用来承受剪切载荷。

6.一般层合板：

对单层材料、铺叠方向与铺设顺序等没有任何限制的各种层合板，其的刚度用层合板的刚度系数（层合板内力-应变关系式的系数）、柔度系数（层合板应变-内力关系式的系数）和工程弹性常数三种形式给。

。

弯曲率：

层合板中面弯曲变形的曲率；扭曲率：

层合板中面扭曲变形的曲率

7.为什么层合板的内力表达式只能采用分层积分？

经典层合理论只考虑平面应力状态，不考虑各单层之间的层间应力，由于层合板各单层的偏轴模量可以是不同的，因此层合板的应力是不连续分布的，只能分层积分。

8层合板强度计算比单层板复杂的原因？

尽管层合板在载荷作用下，应变沿着厚度方向的分布形式较为简单；但是层合板各个单层中纤维的方向不一定相同，也就是说层合板各个单层的偏轴模量可以不同，所以应力沿着厚度的分布要复杂的多。

四、单层板的细观力学分析

1.复合材料的细观力学：

是研究复合材料单层的宏观性能与组分材料性能及细观结构之间的定量关系。

它要揭示不同的材料组合具有不同宏观性能的内在机制。

Cij单层的工程弹性常数

Xi单层的强度

2.纤维体积含量及质量分数

3单向连续纤维增强复合材料弹性常数的预测

A串联模型（模型Ⅰ）：

纤维薄片和基体薄片在横向呈串联形式，意味纤维在横向完全被基体隔开，适用于纤维所占百分比少的情况。

a.纵向弹性模量E1Ib横向弹性模量E2I

c泊松比V1I/V2I（各向同性v取值范围（-1，1/2）;正交各向异性取决于两个弹性模量比值）

B并联模型（模型Ⅱ）：

纤维薄片与基体薄片在横向呈并联形式，意味纤维在横向完全连通，适用于纤维所占百分比较高的情况。

C组合模型的弹性常数

4.正交织物复合材料的弹性常数

五、复合材料连接设计

1.连接方式：

A胶接、B机械连接（包括螺接和铆接）、C混合连接

A胶接形式

（单搭接/双搭接/斜面搭接/阶梯形搭接）

B机械连接（有无起作用：

搭接/对接；受力形式：

单剪/双剪）其中每类有等厚度和变厚度两种

2.胶接连接和机械连接的比较

3机械连接形式的选择原则：

（1）搭接和单盖板对接都会产生附加弯矩而造成接头承载能力的减小和连接效率的降低，一般连接设计宜采用双剪连接形式，应尽量避免连接效率较低的不对称单剪连接。

（2）用双盖板对接能够避免附加弯矩，带锥度的连接形式可以改善多钉连结载荷分配的不均匀性，消除边缘螺钉的过大载荷，提高连接的承载能力；

（3）对于单剪连接形式，宜采用多排钉连接，排距应尽可能大些，使偏心加载引起的弯曲应力降到最小。

（4）碳纤维树脂基复合材料的塑性很差，会造成多排紧固件连接载荷分配的严重均不允，因此尽量采用不多于两排紧固件的多钉连结形式，钉孔布置应尽可能平行排列。

（5）设计合理的斜削型连接可以改善多钉连接载荷分配的不均匀性，提高连接的承载能力，设计的关键是斜削搭接板厚度和紧固件直径的选择。

六、复合材料结构设计基础

1.复合材料产品设计：

a性能设计（功能设计）b结构设计：

包括刚度、强度、稳定性计算c工艺设计

复合材料结构设计比金属结构更加强调材料性能、结构设计与分析、制造工艺三个主要方面的综合协调

在产品设计时必须进行材料分析（选用几种组分材料复合制成具有所要求性能的材料的过程），并选择合适的工艺方法，材料/工艺/设计三者必须形成一个有机整体。

2.复合材料成型工艺比较与选择

要强调设计与制造工艺的一体化，提高结构整体化.蒙皮、梁、墙、衍条等结构元素的的连接在材料形成的同时，采用共固化、共胶接、缝合和预成形织物等工艺实现。

考虑产品外形构造及尺寸特点。

产品尺寸精度和外观质量严格要求的大批量、中小型产品，应选用模压成型；小批量大型产品，采用手糊成型；贮罐、压力容器、管道、飞机整体机身段等具有回转截面形状产品采用纤维缠绕成型；几何形状规则，大小尺寸不变用拉挤成型。

产品结构受力情况：

单向受力杆件和梁采用拉挤成型；板壳构件采用连续纤维缠绕或手糊成型；对载荷情况不是很清楚或承受随机载荷的产品用短切纤维模压或喷射成型工艺。

采用高效的自动化成型技术，既可以降低成本，又能增加产出。

飞机蒙皮、机翼壁板及尾翼壁板采用纤维自动铺放机进行复合材料预浸料铺层，机翼及机身长珩与蒙皮之间均采用共胶接工艺；壁板类构件目前采用成熟的热压罐固化成型工艺。

满足材料性能和产品性能要求

产品批量大小，供货时间长短

工艺设备条件、流动资金及技术水平

经济效益，选择成本-效率最好的成型工艺，实现产品性能与成本的最佳平衡。

制造方面的低成本技术，首先就是提高自动化程度，当前发展得主流的主流是湿法成型（液体模塑成型技术）主要有RTM、VARTM、RFI和SCRIMP等除此以外，其他低成本的有纤维缠绕、拉挤成型、复合材料自动铺放成型技术、非热压罐固化成型技术。

优先选用有使用经验的成型工艺方法，充分考虑结构在制造和使用时易于检测，并考虑可能的采用的维修方法。

3.结构设计的一般原则：

a采用按使用载荷设计，按设计载荷校核的方法

b结构强度用许用值为使用许用值和设计许用值,他们分别对应于最大使用载荷和设计载荷

c复合材料强度准则只适用于复合材料单层，

d当结构使用温度很宽或在不同温度下复合材料性能变化较大时，应力分析所用的材料的力学性能数据应按温度区间选取

e在使用在载荷作用下，不允许有永久变形

f有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数值选取对应温度区间的平均值；对刚度有严格要求的重要部位，需要选取对应温度区间的B基准值。

4.典型结构构件设计

A薄壁梁（工字梁）工字梁承受弯曲载荷作用时，上、下翼缘主要分别受压缩和拉伸应力，腹板主要受剪切应力。

单向纤维增强复合材料具有很高的拉压性能，但剪切性能很差；而短切纤维毡增强复合材料具有很好的剪切性能，但拉压性能差。

因此工字梁的设计上、下翼缘采用单向纤维为主铺设，腹板以连续纤维毡；同时考虑到薄壁翼缘可能出现失稳的问题，因此需在翼缘表层布置沿梁轴呈+45°铺层。

相对常规材料工字钢型材来讲，复合材料应该有更窄而厚的翼缘和更高的型材高度，但为避免梁的扭转失稳，最好能考虑采用双腹板的

形型材。

B夹层梁：

由上、下两层薄的面板（蒙皮）、中间较厚的芯材以及粘结面板和芯材称为整体的胶合层组成。

面板主要承受由弯曲变形引起的正应变，芯材主要承受剪应力，对面板起支撑作用，他能提高结构刚度，保证面板不发生屈曲和翘曲。

对芯材的要求——质量小，有一定的抗剪和抗弯能力。

从形态上，芯材分为微孔芯材和大孔芯材。

微孔芯材主要由塑料泡沫（导热系数低、热绝缘性能好，如聚苯乙烯泡沫和聚氨酯泡沫）制成，大孔芯材主要有蜂窝芯材和波纹芯材（对于有严格力学性能要求和质轻的结构件）