復合材料的強度分析

復合材料強度分析之有限元分析有限元材料數(shù)據(jù)庫的建立飛機有限元編號系統(tǒng)復合材料的強度分析---有限元分析方法

復合材料初步認識什么是復合材料復合材料在航空領域的應用現(xiàn)階段我們復合材料應用的研究狀態(tài)我們怎么樣應對復合材料的發(fā)展趨勢復合材料的有限元分析初步（核心內(nèi)容）什么是復合材料復合材料定義復合材料組成部分復合材料分類航空上一般都用什么復合材料什么是復合材料復合材料的定義是由兩種或者兩種以上的不同性質的材料用物理和化學方法在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料復合材料的組成部分復合材料由基體和增強材料兩種組分組成基體一般由樹脂，金屬，非金屬材料充當國內(nèi)的：３２１８中溫固化環(huán)氧樹脂國外的：９３４環(huán)氧樹脂雙馬來酰亞胺樹脂等增強材料一般采用各種纖維或者顆粒材料芳綸碳纖維硼纖維玻璃纖維等復合材料分類一般按照復合材料中增強材料幾何形狀可分為三類顆粒復合材料，由顆粒增強材料和基體組成鋼筋混泥土材料纖維增強復合材料，由纖維和基體組成碳纖維或者芳綸纖維的織物層合復合材料（包括混雜復合），由多種片狀材料層合而組成ＧＬＡＲＥ（glassreinforced）ＡＲＡＬＬ（芳族聚酰胺和鋁）纖維復合材料的層壓板（纖維單向帶或者織物熱壓）GLARE層壓板的組成航空領域用一般復合材料根據(jù)以往飛機和新研發(fā)出來的飛機復合材料看（這里只列舉通用飛機）纖維復合材料（玻璃纖維，碳纖維，芳綸纖維）混雜復合材料（ＧＬＡＲＥ，ＡＲＡＬＬ）復合材料發(fā)展趨勢現(xiàn)在復合材料在民用航空上的發(fā)展趨勢明朗起來應該可以斷言復合材料是未來飛機材料的主流特別是復合材料在Ｂ７８７上的成功應用以及空客對Ｂ７８７的成功的反映很好的說明了復合材料在飛機設計師心目中的地位復合材料在航空領域的應用C現(xiàn)階段我們復合材料應用開發(fā)狀態(tài)由于我們才成立研發(fā)機構還沒有這方面的設計經(jīng)驗由于復合材料在航空上的應用歷史還不長，投入相對較大，各公司的技術封鎖，我們現(xiàn)在對復合材料的應用設計可以說是零水平階段．為了應對復合材料的發(fā)展態(tài)勢，現(xiàn)在我們已經(jīng)成立專門的復合材料小組進行該項技術的攻關．但是復合材料的強度以及損傷性能是有別于傳統(tǒng)的金屬材料的，這要求我們強度組花大力氣致力于復合材料在航空應用方面的強度分析探索．應對復合材料發(fā)展趨勢面對飛機設計材料在傳統(tǒng)金屬材料上的顯著變化和現(xiàn)今我們的復合材料應用研究水平以既復合材料開發(fā)態(tài)勢，我們應該怎么樣在我們這樣的技術資源環(huán)境下進行復合材料的利用研究呢？我們強度人員又應該干什么呢？我們的困境：我們大部分人沒有涉及到復合材料的學習和強度分析，更沒有復合材料設計與分析上的經(jīng)驗．我們現(xiàn)在也缺乏有經(jīng)驗的專家來給我們手把手的指導．而起復合材料的應用是一個系統(tǒng)的工程，是設計，分析，制造聯(lián)系相當緊密的一種材料，這增加了復合材料應用研究的難度系數(shù)．是的，我們現(xiàn)在面臨很大的困難，特別是項目的繼續(xù)深入發(fā)展，要求我們盡快成長為一個能參與飛機強度設計的人才．應對復合材料發(fā)展趨勢我們應該怎么做呢？首先，我們必須從基礎入手，學習傳統(tǒng)靜強度分析的所有方法,＜復合材料力學＞，＜復合材料設計手冊＞，＜復合材料實驗手冊＞，適航法規(guī)關于復合材料應用的相關規(guī)定，深入的了解復合材料這個體系的相關專業(yè)知識，甚至有必要達到精通．其次，不斷開展調研，借鑒其他研究機構現(xiàn)有研究成果，盡快的對復合材料在航空領域的應用有總體的，生動的把握．然后是，相關復合材料的制造工藝體系的了解和熟悉，因為復合材料的制造工藝在很大的程度上影響復合材料的力學性能．然后是正式的參與項目，在項目中不斷的學習和提高，成為一個合格的，優(yōu)秀的復合材料飛機設計員以及強度分析人員．最后當然是灌注大量的精力在復合材料的應用研究和分析上，來完成上述列舉的工作．

復合材料有限元分析初步與復合材料分析相關的力學知識和有限分析方法復合材料有限元分析初步復合材料力學的基本知識單層復合材料的宏觀力學分析復合材料的失效準則層合板的宏觀力學分析復合材料有限元分析一般復合材料的有限元分析層合板的有限元分析復合材料力學研究什么呢復合材料是研究復合材料力學行為的學科復合材料具有優(yōu)秀的力學性能，這些性能在現(xiàn)在的航空航天和汽車制造領域具有很高的應用價值.有哪些優(yōu)秀的品質呢？比強度（強度／重量）和比剛度（模量／重量）高疲勞性能高減振性能好高，低溫性能好和膨脹系數(shù)小破損安全性能好可設計性能好等各向異性材料與同性材料由此可以看到各向異性材料具有耦合現(xiàn)象,然而各向同性材料沒有耦合現(xiàn)象單層復合材料的宏觀力學分析各向異性的、全不對稱材料——21個常數(shù)單層復合材料的宏觀力學分析正交平面應力狀態(tài)下復合材料的應力－應變關系

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２單層復合材料宏觀力學分析工程折減剛度矩陣單層復合材料宏觀力學分析正交材料的剛度參量平面應力問題中正交各向異性單層材料的剛度矩陣和柔度矩陣只有4個獨立的參數(shù)E1——1-方向上的彈性模量；E2——2-方向上的彈性模量；12——-2/1，當1=，而其他應力皆為零；21——-1/2，當2=，而其他應力皆為零；G12——在1-2平面內(nèi)的剪切模量單層復合材料宏觀力學分析應力轉軸公式12xyθθxy12單層復合材料宏觀力學分析應變轉軸公式單層復合材料宏觀力學分析任意方向的應力-應變關系復合材料的失效準則***各向同性材料最大正應力理論最大線應變理論最大剪應力理論最大歪形能理論在航空領域一般取最大歪形能理論進行強度的校核其中不等式右邊的量可以取為材料屈服應力和材料的0.2水平應力,并除以安全系數(shù)復合材料的失效準則***正交各向異性單層材料的強度概念對于各向異性材料,最大作用應力不一定是材料的危險狀態(tài),而與材料主方向對應的最大主應力才是控制材料設計的應力材料有5個強度參量Xt—縱向拉伸強度Xc—縱向壓縮強度Yt—橫向拉伸強度Yc—橫向壓縮強度S—剪切強度復合材料的失效準則***

正交各向異性材料在材料的主方向上的拉伸和壓縮強度一般是不同的,但是在主方向上的剪切強度(不管正負)都具有相同的最大值,但是非材料主方向上的剪切應力依耐于正負121212yx復合材料的失效準則***最大應力理論壓縮拉伸xy12θ復合材料的失效準則***最大應變理論拉伸壓縮時復合材料的失效準則***最大應變理論復合材料的失效準則***蔡-胡張量理論（Tsai-Wu)蔡-胡假定在應力空間中的破壞表面存在如下形式:其中：Fi，F(xiàn)ij為二階和四階強度張量在平面應力狀態(tài)下：復合材料的失效準則***強度張量的某些分量可以用已經(jīng)討論過的工程強度來確定：對拉伸載荷：對壓縮載荷：同理：材料主方向上的剪切強度和剪應力的符號無關，則有：復合材料的失效準則***對于四階強度張量Fij，基本上不能用材料主方向的任何單向試驗來確定，必須采用雙向試驗，因為它是1和2的系數(shù)。我們采用雙向拉伸試驗：則有：代入已知量：如果：2F12=-F11:與霍夫曼準則相同如果：拉壓強度相同，2F12=-1/X2，與蔡-希爾準則相同層合板的宏觀力學分析層合板定義：是由兩層或多層簡單層板粘合在一起作為一個整體的結構單元。各單層的材料主方向的布置應使結構元件能承受幾個方向的載荷單層板是層合板或層合結構分層的基本單元，對它的宏觀力學研究是分析層合結構的基礎層合板各單層的材料、厚度和彈性主方向等可以互不相同。適當?shù)馗淖冞@些參數(shù)，人們就可以設計出最有效地承受特定外載的結構元件，這是復合材料層合板突出的優(yōu)點之一。層合板的宏觀力學分析有不同物理性質和幾何尺寸單層組成的層合板具有最一般的各向異性性質層合板不一定有確定的主方向另一方面，這種層合板在厚度方向具有客觀的非均勻性和力學性質的不連續(xù)性對層合板的力學分析就變得更為復雜已知單層的性質，主要關注沿厚度方向的應力和應變的變化層合板的宏觀力學分析第k層的應力-應變關系層與層過渡和層與層的結合方式的考慮沿厚度方向的積分單層板的應力-應變性能層合板的宏觀力學分析單層平面應力狀態(tài)假設：層合板中各單層都可近似地認為處于平面應力狀態(tài)z=0假設：在厚度方向上的正應力于其它應力相比很小，可忽略不計層合板的宏觀力學分析xz1234層合板應變變化特征模型應力變化因層合板沿厚度方向物理性質不連續(xù)導致應力的不連續(xù)層合板的宏觀力學分析12kNtt/2z層數(shù)zNzN-1zkZk-1z0z1z2按每一層層合板的宏觀力學分析子矩陣[A]、[B]和[D]分別稱為面內(nèi)剛度矩陣、耦合剛度矩陣和彎曲剛度矩陣，都是3×3對稱矩陣層合板的宏觀力學分析幾何和材料性能都對稱于中面的層合板剛度方程可以大大簡化由于剛度特性和厚度的對稱性?？梢宰C明所有的耦合剛度都為零——沒有耦合對稱層合板通常比有耦合影響的層合板容易分析對稱層合板沒有因固化后冷卻時的熱收縮引起的扭曲傾向實際工程中通常采用復合材料有限元分析方法初步設計流程一次流程幾何參數(shù)確定預分析設置復合材料鋪層基于復合材料分析達到目標樣品實驗產(chǎn)品應力分布與大小一般是用金屬材料分析應變分布與大小用復合材料分析看是否超過設計值根據(jù)分析數(shù)據(jù)確定根據(jù)經(jīng)驗確定層合后的材料屬性,包括沖擊損傷性能二次流程二次流程分析流程力學模型幾何信息有限元化單元屬性分析后處理根據(jù)工程問題簡化建立有限元模型和邊界,載荷條件建立材料和單元屬性分析數(shù)據(jù)看是否復合實際情況并整理之分析例子例1:復合材料矩形梁的分析P=1000L=10δh=2材料層厚度T300QY8911單向帶T300QY8911平紋織物鋪層樣式:(±45/90/0/±45/90/0)s分析例子P=1000L=30δh=5材料層厚度T300QY8911單向帶T300QY8911平紋織物鋪層樣式:+30/-15/90/0/±15/90/0例2:矩形平板的分析分析后采用TSAI-WU理論校核各層性能外界載荷之間的比例計算層合板的剛度ABD如果沒有層片破壞如果層片破壞計算和載荷系數(shù)有關的各層應力在材料主方向上確定相對的各層應力將相對的各層應力和破壞準則進行比較計算一層破壞時的載荷用于給零的性能，從層合板中消去一層計算層和板的變形xyxy分析后采用TSAI-WU理論校核這樣計算量相當大,但是在我們航空上不允許層合板在設計載荷下單層發(fā)生破壞,所以我們可以僅對每個單層進行強度計算.習題1X21YΘ=45°把XY坐標系下的應力轉化到1,2坐標系下寫出偏軸公式習題1查閱書籍,看還有什么復合材料的強度理論,并寫出其具體的用法區(qū)別復合材料的強度理論和各向同性金屬材料的強度理論習題2δ=0.2IN±0.009D=25L=100IN所有單位用IN習題21.載荷:P=20PSI2.分析材料:復合材料織物和單向帶各一種,鋪層方式自己確定3.選擇材料方式:自己在復合材料手冊上選取材料,并確定分析所需材料參數(shù)4.要求:交作業(yè)時需要附帶所選材料的書籍名稱和頁碼,以及材料性能參數(shù)5.強度計算:最后用失效準則校對該結構的復合材料強度,給出強度余量6:強度計算后給出你所認為正確的鋪層方式7: