第八章復合材料結構耐久性損傷容限設計4-3

1、第八章 復合材料結構耐久性損傷容限設計（三） 第 8 頁 共 8 頁課題第八章 復合材料結構耐久性損傷容限設計（三）目的與要求提高零部件耐久性/損傷容限的特殊設計方法和材料使用因素損傷容限分析和疲勞特性概述了解耐久性/損傷容限設計實例復合材料制件的疲勞特性分析方法重點損傷容限分析和疲勞特性概述復合材料制件的疲勞特性分析方法難點復合材料制件的疲勞特性分析方法教具復習提問耐久性/損傷容限設計的特點是什么？復合材料制件的疲勞特性分析方法有哪些？新知識點考查損傷容限分析和疲勞特性布置作業(yè)課堂布置課后回憶損傷容限分析和疲勞特性？復合材料制件的疲勞特性分析方法有哪些？備注教員 1. 提高零部件耐久性/損傷

2、容限的特殊設計方法1.1. 損傷的極限1.1.1 通常損傷程度l 碳纖維復合材料存在缺陷/損傷時，因其強度下降時可能高達60%左右，因此按照損傷容限設計的結構廠采取較低的許用值進行控制，一般情況不超過4000。l 零部件強度的下降必定導致系統(tǒng)性能的下降，設計過程中使用的降低了的許用值，必定不能充分發(fā)揮材料的最大性能，不但影響了設計的效率，而且給工藝制造過程和質量控制造成過大的裕度和能源浪費。1.1.2 當前的設計目標l 為了充分發(fā)揮復合材料的潛在優(yōu)勢，近年來國內(nèi)外提高了損傷容限，也提高設計許用值。l 從最初設計階段、工藝制造過程和質量控制方面綜合考察，要求設計許用值達到6000。l 根據(jù)國外的

3、相關報道，經(jīng)過數(shù)年的科研工作，在飛機設計方面采用的復合材料構件已經(jīng)達到上述要求。² 機翼結構設計的拉、壓設計許用應變值提高到6000；² 剪切應變值提高10000。1.1.3 設計思想l 提高結構的抗損傷能力² 抑制損傷的形式；² 減少損傷范圍，如減少沖擊的區(qū)域；² 抑制或阻止損傷進一步發(fā)生。l 提高結構包容損傷的能力² 提高復合材料結構受損后的剩余強度和疲勞強度/疲勞壽命；² 采用更先進的復合材料成形技術，增加制件自身的性能；² 使用強度更高的體積材料和增強材料，保證“原材料”的性能；² 采用合理的浸潤

4、工藝，提高界面相的性能。1.2. 提高結構耐久性/損傷容限的特殊設計技術1.2.1 軟化帶設計技術l 受拉壁板l 機械連接區(qū)1.2.2 軟蒙皮設計技術l 設計的基本思想l 軟蒙皮l 鋪設角的鋪放比例l 固化方式l 筋條和蒙皮的鋪放實例1.2.3 夾膠膜技術l 設計的基本思想l 中間層l 波音777尾翼的設計實例1.2.4 三維增強（Z向增強）技術l 目的 主要是為了抑制沖擊等引起的分層損傷的擴展，用以提高符合材料結構的沖擊阻抗。l 工藝分類² 厚度方向增強的紡織復合材料ü 三維編制Z向增強ü Z向縫紉² RFI 樹脂膜滲透成形技術² RTM 也

5、稱為樹脂傳遞模塑成形技術² Z向銷連接技術l 連接作用² 厚度方向的增強，提高厚度方向弱的層間剪切力；² 為層壓板或蜂窩結構提高Z向的連接件預制件；² 整體件的局部增強。1.3. 采用特殊設計技術需求注意問題1.3.1. 損傷情況復雜l 復合材料損傷性是眾多，形成和擴散機理不同，針對不同的損傷設計不同的方案，提高損傷容限；l 上述方法僅僅著眼于改善沖擊損傷容限，不可用于其它損傷/缺陷的使用，否則引起相反的效果；l 對于主要承受拉伸載荷或拉-剪載荷的結構，構件中的孔或其它穿透性的缺陷或損傷值得認真設計。1.3.2. 綜合使用各種工藝方法l 單一方法的局限性

6、l 兩種方法的綜合運用l 多種方法運用的優(yōu)點和缺點l 事例1.3.3. 加強關鍵重要件l 分析系統(tǒng)中的關鍵重要件l 設計加強方法l 實驗驗證² 強度² 剛度² 耐久性² 損傷容限² 質量成本² 制造工藝要求l 在零件實施2. 損傷容限分析和疲勞特性概述2.1. 損傷容限分析方法概述2.1.1 含孔（裂紋）等穿透損傷時層壓板的拉伸剩余強度l 孔邊效應/應變進行分析l 利用判據(jù)，計算剩余強度l 損傷影響（Damage Influence，簡稱DI）失效判據(jù)l 損傷區(qū)域纖維斷裂（Fiber breaking in Damage zone，簡

7、稱FD）失效判據(jù)2.1.2 含沖擊損傷時的壓縮剩余強度l 計算出沖擊損傷區(qū)域的大小² 利用彎曲應變能密度分層判據(jù)分析ü 基體強度ü 層間強度ü 假設條件和控制方法² 剪切應變能判據(jù)分析² 查閱設計手冊l 利用FD和DI判據(jù)估算含沖擊損傷層壓板的壓縮剩余強度2.1.3 估算剩余強度的判據(jù)l 損傷影響（DI）失效判據(jù)² 該判據(jù)可以表示為：當缺口（或損傷）附近特征點處的加權法向應力達到層壓板的破壞強度時，含損傷層壓板出現(xiàn)破壞，其數(shù)學表達式為：其中Di滿足下式的X值：層壓板的無損強度； ：損傷附近區(qū)域的法向應力分布；W ：試樣寬度；：與損傷形式（孔，裂紋，分層、沖擊損傷等）、載荷形式及性能有關的常數(shù)。² 對圓孔拉伸：Aij ：為層壓板的面內(nèi)剛度系數(shù)；V ： 層壓板的波松比； ：為層壓板的孔邊應力集中系數(shù)。l 損傷區(qū)纖維斷裂（FD）失效判據(jù)2.1.4 剩余強度的估算