復(fù)合材料的設(shè)計(jì)課件

復(fù)合材料的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)楊珊珊復(fù)合材料的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)楊珊珊1主要內(nèi)容1、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)2、復(fù)合材料的設(shè)計(jì)3、復(fù)合材料設(shè)計(jì)的舉例主要內(nèi)容1、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)2復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)復(fù)合材料本身是非均質(zhì)、各向異性材料，因此，復(fù)合材料力學(xué)在經(jīng)典非均質(zhì)各向異性彈性力學(xué)基礎(chǔ)上得到迅速發(fā)展。復(fù)合材料不僅是材料，更確切的說是結(jié)構(gòu)。一次結(jié)構(gòu)二次結(jié)構(gòu)三次結(jié)構(gòu)固體力學(xué)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)復(fù)合材料本身是非均質(zhì)、各向異性材料，因3一次結(jié)構(gòu)是指由基體和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層材料，其力學(xué)性能決定于組分材料的力學(xué)性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區(qū)的性能二次結(jié)構(gòu)是指由單層材料層合而成的層合體，其力學(xué)性能決定于單層材料的力學(xué)性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設(shè)方向、鋪層序列)三次結(jié)構(gòu)是指通常所說的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性能決定于層合體的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)幾何。一次結(jié)構(gòu)是指由基體和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的單層材料，其力學(xué)性能決4單層材料設(shè)計(jì)鋪層設(shè)計(jì)-????,??????????-????????????????-?????????????-SupplyChain??????????產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)單層材料設(shè)計(jì)鋪層設(shè)計(jì)-????,????????5復(fù)合材料的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋪層設(shè)計(jì)單層材料設(shè)計(jì)正確選擇增強(qiáng)材料、基體材料及其配比，決定單層板的性能對鋪層材料的鋪層方案做出合理安排，決定層合板性能確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸復(fù)合材料的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋪層設(shè)計(jì)單層材料設(shè)計(jì)正確選擇增強(qiáng)材料、6復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程復(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)設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)等）的反復(fù)過程。需考慮的一些主要因素：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、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程復(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)7復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程性能要求載荷情況環(huán)境要求形狀限制源材料選擇鋪層性能確定應(yīng)力與變形分析失效分析層合板設(shè)計(jì)典型構(gòu)件分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合過程圖復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程性能要求源材料選擇鋪層性能確定應(yīng)力與變形8（1）明確設(shè)計(jì)條件。如性能要求、載荷情況、環(huán)境條件、形狀限制等（2）材料設(shè)計(jì)。包括原材料選擇、鋪層性能的確定、復(fù)合材料層合板的設(shè)計(jì)等（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包括復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)件（如桿、梁、板、殼等）的設(shè)計(jì)，以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（如剛架、硬殼式結(jié)構(gòu)等）的設(shè)計(jì)。（1）明確設(shè)計(jì)條件。如性能要求、載荷情況、環(huán)境條件、形狀限制9復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件結(jié)構(gòu)性能要求載荷情況環(huán)境條件結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件結(jié)構(gòu)性能要求10復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件結(jié)構(gòu)性能要求載荷情況結(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。對結(jié)構(gòu)形狀和尺寸有一定限制隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護(hù)內(nèi)部物體靜載荷：指緩慢的由零增加到某一數(shù)值后就保持不變或變動的不顯著的載荷。動載荷：指能使構(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。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件結(jié)構(gòu)性能要求結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保11復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件環(huán)境條件結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性力學(xué)條件：加速度、沖擊、振動、聲音等物理?xiàng)l件：壓力、溫度、濕度等氣象條件：風(fēng)雨、冰雪、日光等大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風(fēng)沙等圖2：結(jié)構(gòu)成本與可靠性的關(guān)系復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件環(huán)境條件力學(xué)條件：加速度、沖擊、振動、聲12材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)，通常是指用幾種原材料組合成具有所要求性能的材料的過程。材料設(shè)計(jì)包括原材料選擇、單層性能的確定和復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)在此以聚合物基的復(fù)合材料的設(shè)計(jì)為例材料設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)，通常是指用幾種原材料組合成具有所要求性能的131、原材料的選擇與復(fù)合材料性能（1）原材料選擇原則比強(qiáng)度、比剛度高的原則材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應(yīng)的原則滿足結(jié)構(gòu)特殊性要求的原則滿足工藝性要求的原則成本低、效益高的原則1、原材料的選擇與復(fù)合材料性能（1）原材料選擇原則14（2）纖維選擇A.若結(jié)構(gòu)要求有良好的透波、吸波性能，則可選取E或S玻璃纖維、開芙拉纖維、氧化鋁纖維等作為增強(qiáng)材料。B.若結(jié)構(gòu)要求有高的剛度，則可選用高模量碳纖維或硼纖維。C.若結(jié)構(gòu)要求有高的抗沖擊性能，則可選用玻璃纖維、開芙拉纖維。D.若結(jié)構(gòu)要求有很好的低溫工作性能，則可選用低溫下不脆化的碳纖維。E.若結(jié)構(gòu)要求尺寸不隨溫度變化，則可選用開芙拉纖維或碳纖維。它們的熱膨脹系數(shù)可以為負(fù)值，可設(shè)計(jì)成零膨脹系數(shù)的復(fù)合材料。F.若結(jié)構(gòu)要求既有較大強(qiáng)度又有較大剛度時，則可選用比強(qiáng)度和比剛度均較高的碳纖維或硼纖維。（2）纖維選擇15復(fù)合材料的設(shè)計(jì)ppt課件16（3）樹脂的選擇①要求基體材料能在結(jié)構(gòu)使用溫度范圍內(nèi)正常工作。②要求基體材料具有一定的力學(xué)性能。③要求基體的斷裂伸長率大于或者接近纖維的斷裂伸長率，以確保充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用④要求基體材料具有滿足使用要求的物理、化學(xué)性能⑤要求具有一定的工藝性（3）樹脂的選擇172、單層性能的確定（1）單層樹脂含量的確定（2）剛度的預(yù)測（3）強(qiáng)度的預(yù)測2、單層性能的確定（1）單層樹脂含量的確定183、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(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。(2)按使用載荷設(shè)計(jì)時，采用使用載荷所對應(yīng)的許用值稱為使用許用值，按設(shè)計(jì)載荷校核時，采用設(shè)計(jì)載荷所對應(yīng)的許用值，稱為設(shè)計(jì)許用值。(3)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，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)定時也采用-0.5。(4)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)和平均值，而有剛度要求的重要部位需要選取B基準(zhǔn)值。3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(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)194、其他因素?zé)釕?yīng)力防腐蝕防雷擊抗沖擊4、其他因素?zé)釕?yīng)力20復(fù)合材料設(shè)計(jì)舉例1.正交各向異性易碎復(fù)合材料層合板的設(shè)計(jì)易碎復(fù)合材料的工作機(jī)制要求它既具有一定的強(qiáng)度和剛度以承受給定的工作載荷,又能夠在一定的觸發(fā)條件下即刻斷裂美國發(fā)明的易碎式穿通蓋由多層玻璃纖維布浸漬環(huán)氧樹脂組成。它利用玻璃纖維只在經(jīng)線和緯線兩個方向上容易撕裂，而在其它方向上不易撕裂的特性，在薄膜上進(jìn)行刻槽以達(dá)到撕裂線的控制。玻璃纖維布在經(jīng)線和緯線兩個方向上比其它方向容易撕裂,但所需撕裂拉力差別并不大,這給易碎穿通蓋的工作可靠性帶來一定的影響復(fù)合材料設(shè)計(jì)舉例1.正交各向異性易碎復(fù)合材料層合板的設(shè)計(jì)易碎21圖3：帶刻槽的單向板復(fù)合成復(fù)合材料層合板圖4：正交各向異性層合板碎裂跡線圖5：沖擊后開裂的試樣圖3：帶刻槽的單向板復(fù)合成復(fù)合材料層合板圖4：正交各向異性層222.仿生材料的設(shè)計(jì)天然生物材料，如貝殼、骨和牙等生物礦化材料或蠶絲、蜘蛛絲等結(jié)構(gòu)蛋白，是生物體為了適應(yīng)環(huán)境，經(jīng)歷億萬年的演變和進(jìn)化形成的，其結(jié)構(gòu)和功能已達(dá)到近乎完美的程度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。受自然界生物啟發(fā)利用新穎的合成策略和源于自然的仿生原理來設(shè)計(jì)合成有機(jī)、無機(jī)、有機(jī)-無機(jī)雜化結(jié)構(gòu)材料和功能材料是近年來迅速崛起的研究領(lǐng)域在眾多的天然生物材料中，貝殼珍珠層由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、極高的強(qiáng)度和良好的韌性而受到廣泛的關(guān)注，已成為制備輕質(zhì)高強(qiáng)超韌性層狀復(fù)合材料的模型結(jié)構(gòu)材料仿生設(shè)計(jì)包括材料結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生和系統(tǒng)仿生3個方面。目前，對于仿生結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)組分的選擇優(yōu)化、幾何參數(shù)和界面性質(zhì)等．2.仿生材料的設(shè)計(jì)天然生物材料，如貝殼、骨和牙等生物礦化材料23圖6：(A)不同斷裂機(jī)制；（B）薄片增強(qiáng)體含量與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系