復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課件

1、第6章 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1 概述6.2 材料設(shè)計(jì)6.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第6章 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1 概述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是選用不同材料綜合各種設(shè)計(jì)(如層合板設(shè)計(jì)，典型結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)等)的反復(fù)過程。在綜合過程中必須考慮的一些主要因素有：結(jié)構(gòu)質(zhì)量、研制成本、制造工藝、結(jié)構(gòu)鑒定、質(zhì)量控制、工裝模具的通用性及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合過程如圖所示，大致分為三個(gè)步驟：6.1.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程10/11/20222復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是選用不同材料綜合各種設(shè)計(jì)(如層合板設(shè)計(jì)，典6.1.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程明確設(shè)計(jì)條件材料設(shè)計(jì)1234結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)變及失效分析10/11/202236.

2、1.1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程明確設(shè)計(jì)條件1234結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)A 結(jié)構(gòu)性能要求結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內(nèi)的安全提供裝置各種配件、儀器等附件的空間，對(duì)結(jié)構(gòu)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(hù)內(nèi)部物體6.1.2 設(shè)計(jì)條件10/11/20224A 結(jié)構(gòu)性能要求6.1.2 設(shè)計(jì)條件10/10/20224B 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(dòng)得不顯著的載荷。動(dòng)載荷：能使構(gòu)件產(chǎn)生較大的加速度，并且不能忽略由此而產(chǎn)生的慣性力的載荷。6.1.2 設(shè)計(jì)條件10/11/20225B 載荷情況6.1.2 設(shè)計(jì)條件10/10/20225C 環(huán)境條件力學(xué)條件：加速度、沖擊、

3、振動(dòng)、聲音等物理?xiàng)l件：壓力、溫度、濕度等氣象條件：風(fēng)雨、冰雪、日光燈等大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風(fēng)沙等6.1.2 設(shè)計(jì)條件10/11/20226C 環(huán)境條件6.1.2 設(shè)計(jì)條件10/10/202266.1.2 設(shè)計(jì)條件D 結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性結(jié)構(gòu)的可靠性：指結(jié)構(gòu)在所規(guī)定的使用壽命內(nèi)，在給予的載荷情況和環(huán)境條件下，充分實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的性能時(shí)結(jié)構(gòu)正常工作的能力。這種能力用一種概率來度量稱為結(jié)構(gòu)的可靠度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性最終表現(xiàn)在可靠性和經(jīng)濟(jì)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(shí)(即經(jīng)濟(jì)性最好)可靠性最為合理。10/11/202276.1

4、.2 設(shè)計(jì)條件D 結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性10/10/20A 原材料的選擇原則比強(qiáng)度、比剛度高材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)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(fù)合材料性能10/11/20228A 原材料的選擇原則6.2.1 原材料的選擇與復(fù)合材料性能1B 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(fù)合材料性能E或S玻璃纖維、凱夫拉纖維、氧化鋁纖維等良好的透波、吸波性能高模量碳纖維、硼纖維高剛度玻璃纖維、凱夫拉纖維高抗沖擊性10/11/20229B 纖維選擇6.2.1 原材料的選擇與復(fù)合材料性能E或S玻璃B 纖維選擇首先確定纖維的類

5、別，其次確定纖維的品種規(guī)格6.2.1 原材料的選擇與復(fù)合材料性能低溫不脆化的碳纖維低溫工作性能凱夫拉纖維或碳纖維(熱膨脹系數(shù)可為負(fù)值)尺寸對(duì)溫度不敏感碳纖維或硼纖維(比強(qiáng)度和比剛度)高強(qiáng)度、高剛度10/11/202210B 纖維選擇6.2.1 原材料的選擇與復(fù)合材料性能低溫不脆化6.2.1 原材料的選擇與復(fù)合材料性能C 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(nèi)正常工作要求基體材料具有一定的力學(xué)性能要求基體材料的斷裂伸長(zhǎng)率大于或接近纖維的斷裂伸長(zhǎng)率要求基體材料具有滿足使用要求的物理、化學(xué)性能要求具有一定的工藝性10/11/2022116.2.1 原材料的選擇與復(fù)合材

6、料性能C 樹脂選擇10/10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(guān)系的法則，僅適用于較為特殊的一類復(fù)合材料。對(duì)于一般的層合結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，已知原材料的性能欲確定單層的性能時(shí)較為困難的。然而，設(shè)計(jì)的初步階段，為了層合板設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，必須提供必要的單層性能參數(shù)，特別是剛度和強(qiáng)度參數(shù)。為此，通常需要利用細(xì)觀力學(xué)方法推得的預(yù)測(cè)公式來進(jìn)行計(jì)算。而在最終設(shè)計(jì)階段，單層性能的確定需要用試驗(yàn)的方法直接測(cè)定。6.2.2 單層性能的確定10/11/202212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(guān)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(zhì)或單層的使用功能選取6.2.2

7、 單層性能的確定10/11/202213A 單層樹脂含量的選擇6.2.2 單層性能的確定10/10/體積含量與質(zhì)量含量之間的關(guān)系為：6.2.2 單層性能的確定(6-1)分別為纖維、樹脂的質(zhì)量百分比；分別為纖維、樹脂的密度。式中：另外，在最終設(shè)計(jì)階段，一般為了單層性能參數(shù)的真實(shí)可靠，使設(shè)計(jì)更為合理，單層性能的確定需用試驗(yàn)的方法?？梢罁?jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB3352-88和GB3355-88來執(zhí)行。10/11/202214體積含量與質(zhì)量含量之間的關(guān)系為：6.2.2 單層性能的確定(6.2.2 單層性能的確定式(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。纖維和

8、基體有相同的線應(yīng)變，且都等于單元的縱向線應(yīng)變，于是有：(6-5)10/11/2022156.2.2 單層性能的確定式(6-2)可改寫為下面形式：(66.2.2 單層性能的確定單層、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)10/11/2022166.2.2 單層性能的確定單層、纖維和基體都是線彈性的，都6.2.2 單層性能的確定確定E2代表性體積單元的作用應(yīng)力為2，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(xì)觀角度看：(6-11

9、)10/11/2022176.2.2 單層性能的確定確定E2從宏觀角度看：(6-10)B 剛度的預(yù)測(cè)公式選擇代表性體積單元如右圖所示6.2.2 單層性能的確定確定代表性體積單元的作用應(yīng)力為，纖維和基體的彈性模量分別為和，求縱向彈性模量。(6-2)分別為代表性體積單元的，纖維的和基體的橫截面面積。式中：10/11/202218B 剛度的預(yù)測(cè)公式6.2.2 單層性能的確定確定(6-2)分6.2.2 單層性能的確定所以：(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)10/11/2022196.2.2 單層性能的確定所以：(6-12)各部分同樣滿足胡6.2.

10、2 單層性能的確定變形得：(6-16)實(shí)驗(yàn)證明，E1的計(jì)算公式(6-9)與實(shí)驗(yàn)值基本相符，而E2的計(jì)算公式(6-16)與實(shí)驗(yàn)值差別較大，計(jì)算值偏低，為此，可利用如下的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：(6-17)式中：(6-18)2由實(shí)驗(yàn)確定，玻璃/環(huán)氧可取0.5，碳/環(huán)氧可取0.9710/11/2022206.2.2 單層性能的確定變形得：(6-16)實(shí)驗(yàn)證明，E16.2.2 單向?qū)拥墓こ虖椥猿?shù)預(yù)測(cè)公式10/11/2022216.2.2 單向?qū)拥墓こ虖椥猿?shù)預(yù)測(cè)公式10/10/20226.2.2 單層性能的確定(6-17a)(6-18a)10/11/2022226.2.2 單層性能的確定(6-17a)(6-1

11、8a)10/6.2.2 單層性能的確定C 強(qiáng)度的預(yù)測(cè)公式縱向拉伸強(qiáng)度：(6-19)(6-20)式中為纖維的最大拉伸應(yīng)力；為基體應(yīng)變等于纖維最大拉伸應(yīng)變式的基體應(yīng)變； 為基體的最大拉伸應(yīng)力；Vf為纖維的體積含量；為強(qiáng)度由纖維控制的最小纖維體積含量。10/11/2022236.2.2 單層性能的確定C 強(qiáng)度的預(yù)測(cè)公式(6-19)(66.2.2 單層性能的確定(6-21)(6-22)為纖維彈性模量；為基體彈性模量； 為基體剪切彈性模量；為纖維的體積含量。式中：10/11/2022246.2.2 單層性能的確定(6-21)(6-22)為纖維彈性A 層合板設(shè)計(jì)的一般原則鋪層定向原則均衡對(duì)稱鋪設(shè)原則鋪層取

12、向按承載選取原則鋪層最小比例原則鋪設(shè)順序原則沖擊載荷區(qū)設(shè)計(jì)原則防邊緣分層破壞原則抗局部屈曲設(shè)計(jì)原則連接區(qū)設(shè)計(jì)原則變厚度設(shè)計(jì)原則6.2.3 復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)10/11/202225A 層合板設(shè)計(jì)的一般原則6.2.3 復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)10/6.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則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(jié)構(gòu)不應(yīng)產(chǎn)生殘余變形。設(shè)計(jì)載荷是指設(shè)計(jì)中用來進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的載荷，在這種載荷下材料剛開始或接近破壞。1) 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一般采用按使用載荷設(shè)計(jì)，按設(shè)計(jì)載荷校核的方法。10/11/2022266.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則使用載荷是指正常使用中可能出現(xiàn)6.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則許

13、用值是計(jì)算中允許采用的性能值，由一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。使用許用值與設(shè)計(jì)許用值由相應(yīng)環(huán)境條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到。2) 按使用載荷設(shè)計(jì)時(shí)，采用使用載荷所對(duì)應(yīng)的許用值稱為使用許用值；按設(shè)計(jì)載荷校核時(shí)，采用設(shè)計(jì)載荷所對(duì)應(yīng)的許用值，稱為設(shè)計(jì)許用值。10/11/2022276.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則許用值是計(jì)算中允許采用的性能值復(fù)合材料失效準(zhǔn)則只適用于復(fù)合材料的單層。在未規(guī)定使用某一失效準(zhǔn)則時(shí)，一般采用蔡-胡失效準(zhǔn)則，且正則化相互作用系數(shù)未規(guī)定時(shí)也采用-0.5；有剛度要求的一般部位，材料彈性常數(shù)的數(shù)據(jù)可采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值，而有剛度要求的重要部位需要選取基準(zhǔn)值。6.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則10/

14、11/202228復(fù)合材料失效準(zhǔn)則只適用于復(fù)合材料的單層。在未規(guī)定使用某一失效工藝性包括構(gòu)件的制造工藝性和裝配工藝性。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)方案的選取和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)對(duì)工藝性的好壞也有重要影響。主要應(yīng)考慮的工藝性要求如下：構(gòu)件的拐角應(yīng)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(duì)于外形復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)，應(yīng)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(gè)或兩個(gè)以上構(gòu)件；對(duì)于曲率較大的曲面應(yīng)采用織物鋪層；對(duì)于外形突變處應(yīng)采用光滑過度；對(duì)于壁厚變化應(yīng)避免突變，可采用階梯型變化；結(jié)構(gòu)件的兩面角應(yīng)設(shè)計(jì)成直角或鈍角 6.3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的工藝性要求10/11/2022

15、29工藝性包括構(gòu)件的制造工藝性和裝配工藝性。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)A 許用值的確定許用值是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素之一，是判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基準(zhǔn)。因此正確地確定許用值是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算的重要任務(wù)之一。安全系數(shù)也是一項(xiàng)非常重要的工作。(1) 拉伸時(shí)許用值的確定方法 取下述三種情況得到的最小值開孔試樣在環(huán)境條件下進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其斷裂應(yīng)變，并除以安全系數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出使用許用值。非缺口試樣在環(huán)境條件下進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其集體不出現(xiàn)明顯微裂紋所能達(dá)到的最大應(yīng)變值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到使用許用值。6.3.3 許用值與安全系數(shù)的確定10/11/202230A 許用值的確定6.3.3 許用值與安全系數(shù)的確定1

16、0/10開孔試樣在環(huán)境條件下進(jìn)行拉伸兩倍疲勞壽命試驗(yàn)，測(cè)定其所能達(dá)到的最大應(yīng)變值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到使用許用值。(2) 壓縮時(shí)許用值的確定方法 取三種情況得到的最小值(3) 剪切時(shí)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10/11/202231開孔試樣在環(huán)境條件下進(jìn)行拉伸兩倍疲勞壽命試驗(yàn)，測(cè)定其所能達(dá)B 安全系數(shù)的確定在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了確保結(jié)構(gòu)安全工作，又考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，要求質(zhì)量輕、成本低，因此，在保證安全的條件下，應(yīng)盡可能降低安全系數(shù)。安全系數(shù)的選擇應(yīng)主要考慮以下因素：1 載荷的穩(wěn)定性2 材料性質(zhì)的均勻性和分散性3 理論計(jì)算公式的近似性4 構(gòu)件的重要性與危險(xiǎn)程度5 加工工藝的準(zhǔn)確性6 無損檢測(cè)的局限性7 使用環(huán)境條件6.3.3 許用值與安全系數(shù)的確定10/11/202232B 安全系數(shù)的確定6.3.3 許用值與安全系數(shù)的確定10/1典型結(jié)構(gòu)件主要指一維的桿、二維的板、三維的殼。這些典型結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)主要根據(jù)其受力情況而定承拉桿件圓棒狀桿：纖維沿載荷方向（軸向）鋪設(shè)平板狀拉桿：以纖維方