三、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析與力學(xué)性能測(cè)試

1、主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二、復(fù)合材料分析與優(yōu)化二、復(fù)合材料分析與優(yōu)化三、復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試與表征三、復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試與表征1、明確設(shè)計(jì)條件： 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)： 原材料選擇、鋪層性能確定、層合板設(shè)計(jì)等。3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)典型特征的設(shè)計(jì)、夾芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)合材料接頭設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)分析制造一體化 在材料設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都涉及到應(yīng)變、應(yīng)力與變形分析、失效分析，以確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)往往是材料與結(jié)構(gòu)一次成型的，且材料也具有可設(shè)計(jì)性。1、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)性結(jié)

2、構(gòu)性能要求結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷；提供裝置各種附件的空間，對(duì)結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的限制；隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護(hù)內(nèi)部物體。載荷情況靜載荷：是指載荷緩慢地由零增加到某一定數(shù)值后就保持不變或變動(dòng)不顯著的載荷；動(dòng)載荷：是指能使構(gòu)件產(chǎn)生較大的加速度，且不能忽略由此而產(chǎn)生的慣性力的載荷。 動(dòng)載荷分為： 瞬時(shí)作用載荷、沖擊載荷、交變載荷。 動(dòng)載荷作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為動(dòng)應(yīng)力。環(huán)境條件力學(xué)條件：加速度、沖擊、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、日光等；大氣條件：放射性、鹽霧、風(fēng)砂等。 其中，力學(xué)和物理?xiàng)l件主要影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，與材料的力學(xué)性能有關(guān)； 氣象和大氣條件主要影響結(jié)構(gòu)的

3、腐蝕、磨損、老化等，與材料的理化性能有關(guān)。結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性可靠性指結(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。用一種概率來(lái)度量稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的可靠度。u結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度可靠性；u結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度可靠性。結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性表現(xiàn)在可靠性和經(jīng)濟(jì)性?xún)煞矫?。u提高可靠性就會(huì)增加初期成本；u維修成本隨可靠性增加而降低；u總成本最低時(shí)經(jīng)濟(jì)性最好，可靠性最合理。2、材料設(shè)計(jì)原材料的選擇原則纖維選擇樹(shù)脂的選擇鋪層性能確定復(fù)合材料零部件的設(shè)計(jì)和制造是一個(gè)材料構(gòu)成和成型的并行過(guò)程。設(shè)計(jì)人員除對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)外還需進(jìn)行材料設(shè)計(jì)。材料設(shè)計(jì)包括原材料的選取和纖維

4、取向及連續(xù)性狀態(tài)的安排。原材料選擇一般可采用以下幾種方式：一種是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求直接選取增強(qiáng)材料和基體材料的種類(lèi)和規(guī)格；另一種是根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求選取定型的、商品化的預(yù)浸料；或者是兩種方式混合使用。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)特殊性能的要求滿足工藝性要求低成本、高效益比強(qiáng)度、比剛度高u比強(qiáng)度是指單向板纖維方向的強(qiáng)度與材料密度之比。u比剛度是指單向板纖維方向的剛度與材料密度之比。u多向?qū)雍习宓谋葟?qiáng)度和比剛度要比單向板低30%50%。典型纖維的比強(qiáng)度比剛度類(lèi)型類(lèi)型密度密度（g/cm3g/cm3）拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度（GPaGPa）拉伸模量拉伸模量（GPaGPa）比強(qiáng)

5、度比強(qiáng)度比模量比模量T3001.773.532211.99124.9T7001.804.902302.72127.8Kevlar491.463.621522.47104.1S-glass2.544.14861.7034.68E-glass2.542.76731.1329.43材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應(yīng)原則u材料的主要性能在結(jié)構(gòu)的整個(gè)使用環(huán)境條件下，降幅值小于10%。 樹(shù)脂基復(fù)合材料溫度和濕度對(duì)性能的影響較大，通過(guò)改進(jìn)或選用合適的基體達(dá)到與使用環(huán)境相適應(yīng)。滿足結(jié)構(gòu)特殊性能要求的原則 如飛機(jī)雷達(dá)罩透波性要求，隱身飛機(jī)吸波性要求等。滿足工藝性要求的原則u預(yù)浸料工藝性：揮發(fā)物含量、預(yù)浸料儲(chǔ)存期等參數(shù)。

6、u固化成型工藝性：加壓時(shí)間、固化溫度、壓力等。u機(jī)加裝配工藝性。u修補(bǔ)工藝性：已固化與未固化復(fù)合材料通過(guò)膠粘劑粘接的能力。低成本、高效益原則低成本高效益原則低成本高效益原則材料成本材料成本初期成本初期成本制造成本制造成本維修成本維修成本纖維選擇結(jié)構(gòu)要求有良好的透波、吸波性能： 選E或S玻璃纖維、凱芙拉纖維、氧化鋁纖維。要求高的剛度： 選用高模量的碳或硼纖維。要求高的抗沖擊性能： 選用玻璃纖維、凱芙拉纖維。纖維選擇要求好的低溫工作性能： 選用低溫下不脆化的碳纖維。要求尺寸不隨溫度變化： 選用凱芙拉或碳纖維。要求較高的強(qiáng)度和剛度： 選用比強(qiáng)度、比剛度均較高的碳纖維。典型纖維的性能類(lèi)型類(lèi)型絲數(shù)絲數(shù)拉

7、伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度（GPaGPa）拉伸模量拉伸模量（GPaGPa）纖維直徑纖維直徑（mm）密度密度（g/cm3g/cm3）T3003k3.5322171.77T70012k4.9023071.80Kevlar495803.62152121.46S-glass2044.14869.12.48E-glass2042.76739.12.48樹(shù)脂的選擇各種牌號(hào)的環(huán)氧樹(shù)脂和聚酯樹(shù)脂 特點(diǎn)：較高的力學(xué)性能但工作溫度較低（-140130），工藝性能好，成本低。對(duì)需耐高溫的復(fù)合材料 用聚酰亞胺做基體材料，長(zhǎng)期工作溫度200-250，短期工作溫度可達(dá)350-400。鋪層性能確定單層樹(shù)脂含量的選擇剛度的預(yù)測(cè)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)

8、單層樹(shù)脂含量的選擇原則由承力性質(zhì)或使用功能確定單層的功能單層的功能樹(shù)脂質(zhì)量含量（樹(shù)脂質(zhì)量含量（% %）主要承受拉伸、壓縮、彎曲載荷27主要承受剪切載荷30用在受力構(gòu)件的修補(bǔ)35用在外表層防機(jī)械損傷和大氣老化70用在防腐蝕7090纖維體積含量與質(zhì)量含量之間的關(guān)系式：其中，mmffffMMMV度。分別為纖維、樹(shù)脂的密、量百分比；分別為纖維、樹(shù)脂的質(zhì)、mfmfMM剛度的預(yù)測(cè)（1）縱向彈性模量：（2）橫向彈性模量（3）縱向泊松比（4）橫向泊松比（5）面內(nèi)剪切模量)1 (fmffLVEVEEmmffTEVEVE1)1 (fmffLVVLTLTEEmmffTGVGVG1強(qiáng)度的預(yù)測(cè)（1）縱向拉伸強(qiáng)度：纖維體

9、積含量。強(qiáng)度由纖維控制的最小纖維體積含量；基體的最大拉伸應(yīng)力；拉伸應(yīng)變時(shí)的基體應(yīng)力基體應(yīng)變等于纖維最大（大拉伸力應(yīng)力；纖維的最minmaxmaxmaxminmaxminmaxmax)1 ()1 ()(ffmfmffffmffffmffTVVVVVVVVVX強(qiáng)度的預(yù)測(cè)（1）縱向壓縮強(qiáng)度：值的小者。取上述兩公式計(jì)算所得CfmfmfffCXVGVEEVVX1)1 ( 323、復(fù)合材料設(shè)計(jì)層合板設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容鋪層設(shè)計(jì)一般原則層合板的設(shè)計(jì)方法層合板特征設(shè)計(jì)層合板其他設(shè)計(jì)原則夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)合材料連接設(shè)計(jì)關(guān)于環(huán)境影響的考慮層合板設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容a)選擇合適的單層鋪設(shè)角-鋪層方向；b)確定各鋪設(shè)角單層的層數(shù)百分

10、比-鋪層比；c)確定鋪層順序：直接影響到層合板的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、振動(dòng)、工藝性和使用維護(hù)性。層合板設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容鋪層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化表示a)選擇合適的單層鋪設(shè)角-鋪層方向?qū)雍习宓匿亴臃较蛑饕罁?jù)所受的載荷情況來(lái)確定，力求獲得最大的設(shè)計(jì)效率。（）用以承受面內(nèi)剪力；90層用以改善橫向強(qiáng)度和調(diào)節(jié)泊松比。一般采用對(duì)稱(chēng)層壓板。對(duì)稱(chēng)鋪層可以保持整體平衡，避免彎曲-拉伸-扭轉(zhuǎn)耦合以及壓制或后加工時(shí)產(chǎn)生變形。鋪層角度一般在0、45、-45、90四種角度中選取，以便降低制造復(fù)雜性。a)選擇合適的單層鋪設(shè)角-鋪層方向?yàn)楹?jiǎn)化層合板的分析與設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量采用成對(duì)的45鋪層。除織物結(jié)構(gòu)外，相鄰層取向夾角不能超過(guò)60（0和90不

11、要鋪在一起）。如果相鄰層間夾角超過(guò)60，固化應(yīng)力處會(huì)產(chǎn)生微裂紋。同樣的規(guī)則適用于層間剪切應(yīng)力的傳遞，雖然對(duì)靜態(tài)強(qiáng)度沒(méi)有大的影響，但對(duì)疲勞強(qiáng)度有影響。這條規(guī)則適用于16層以?xún)?nèi)的任何層壓板。b)確定各鋪設(shè)角單層的層數(shù)百分比-鋪層比 若需設(shè)計(jì)成準(zhǔn)各向同性層合板，采用0/45/90/-45s。0:90:45鋪層比0.25：0.25：0.50 準(zhǔn)各向同性層合板：A為各向同性，與方向無(wú)關(guān)；各層具有相同的Q和相同的厚度；各層之間夾角相等。c)鋪層順序的基本要求 有兩種以上鋪層方向的層合板，各種方向的鋪層應(yīng)盡量交錯(cuò)鋪設(shè)；同一鋪設(shè)角的單層不宜過(guò)多集中在一起，超過(guò)四層時(shí)易出現(xiàn)分層。 對(duì)有壓縮和沖擊性能要求的層合板

12、，可在外表面鋪設(shè)45鋪層，以提高抗壓縮和抗沖擊能力，同時(shí)也具有較好的使用維護(hù)性。鋪層設(shè)計(jì)的一般原則a)鋪層定向原則： 層壓板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般只在/4角度范圍，即0、45、-45、90四種角度中選擇所需的鋪層角并盡量采用成對(duì)的45和-45均衡鋪層。b)均衡對(duì)稱(chēng)原則：除特殊需要，一般設(shè)計(jì)成均衡對(duì)稱(chēng)層壓板，以避免拉-剪、拉-彎耦合，引起翹曲等變形。鋪層設(shè)計(jì)的一般原則c)鋪層方向按承載選取原則若承受拉（壓）載荷，鋪層方向按載荷方向鋪設(shè)；若承受剪切載荷，鋪層按45成對(duì)鋪設(shè)；若承受雙軸向載荷，鋪層按0、90正交鋪設(shè)。若承受多種載荷，鋪層按0、90、 45多向鋪設(shè)。d)鋪層最小比例原則：對(duì)于方向?yàn)?、90、

13、 45 鋪層，其任一方向的鋪層最小比例應(yīng)大于10%。鋪層設(shè)計(jì)的一般原則e)鋪設(shè)順序原則：層合板含有45層、 0層、90層，盡量使45層之間用0層或90層隔開(kāi)，也盡量使0層、90層之間用- 45或+ 45層隔開(kāi)，以降低層間應(yīng)力。f)防邊緣分層破壞設(shè)計(jì)原則：沿邊緣區(qū)包一層玻璃布，以防止邊緣分層破壞。g)抗局部屈曲設(shè)計(jì)原則：對(duì)可能形成局部屈曲的區(qū)域，將 45層盡量鋪設(shè)在層合板的表面，可提高局部屈曲強(qiáng)度。鋪層設(shè)計(jì)的一般原則h) 變厚度設(shè)計(jì)原則：變厚度零件的鋪層階差、各層臺(tái)階設(shè)計(jì)寬度應(yīng)相等，臺(tái)階寬度應(yīng)等于或大于2.5mm。 為防止臺(tái)階處剝離破壞，表面應(yīng)由連續(xù)鋪層覆蓋。層合板的設(shè)計(jì)方法 常規(guī)設(shè)計(jì)方法：根據(jù)

14、設(shè)計(jì)載荷和工藝制造的條件，并結(jié)合已有類(lèi)似結(jié)構(gòu)的鋪層方式和設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，初步確定層合材料的鋪層方式。然后用復(fù)合材料力學(xué)方法求出相應(yīng)的層合材料性能，在給定設(shè)計(jì)要求和載荷條件下，對(duì)這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析，再根據(jù)分析結(jié)構(gòu)修改鋪層方式。 層合板的設(shè)計(jì)方法 復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基本原則是根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求和載荷條件，確定最佳的鋪層設(shè)計(jì)。為了達(dá)到最佳設(shè)計(jì)，更好的設(shè)計(jì)方法是把各個(gè)材料參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，采用優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 根據(jù)實(shí)際需要層合板可按剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性或某些特殊要求來(lái)設(shè)計(jì)。常用層合板設(shè)計(jì)方法見(jiàn)下表。層合板的設(shè)計(jì)方法序序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法方法要點(diǎn)方法要點(diǎn)說(shuō)明說(shuō)明1等代設(shè)計(jì)采用準(zhǔn)各性同性

15、層合板按剛度等代鋁板2準(zhǔn)網(wǎng)格設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中僅考慮纖維承載能力，按應(yīng)力比確定0、90、45纖維鋪層比例3剛度設(shè)計(jì)毯式曲線設(shè)計(jì)以面內(nèi)剛度為主，設(shè)計(jì)鋪層比例與面內(nèi)強(qiáng)、剛度關(guān)系曲線，查出所需鋪層比例層合板初步設(shè)計(jì)方法4強(qiáng)度設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算涉及強(qiáng)度準(zhǔn)則、層合板理論、剛度退化模型等金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用5氣彈剪裁設(shè)計(jì)利用層合板耦合剛度滿足氣彈要求的鋪層翼面設(shè)計(jì)6多約束優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、振動(dòng)、氣彈等多約束目標(biāo)最小結(jié)構(gòu)重量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)適用的分析程序?qū)雍习逄卣髟O(shè)計(jì)u許用應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)u變厚度設(shè)計(jì)u開(kāi)口設(shè)計(jì)u實(shí)心邊緣開(kāi)口設(shè)計(jì)u下陷區(qū)設(shè)計(jì)u單向加筋板設(shè)計(jì)層合板特征設(shè)計(jì)u許用應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì) 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)的承載極限可按照復(fù)

16、合材料的需要應(yīng)變值來(lái)確定。根據(jù)國(guó)內(nèi)外各飛行器公司設(shè)計(jì)資料，目前使用的碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)載荷下的許用應(yīng)變值一般為： 壓縮ec=4000； 拉伸et=5500； 剪切g(shù)=7600層合板特征設(shè)計(jì)u變厚度設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不可避免會(huì)遇到需要改變厚度的部位，厚度變化區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，總是一個(gè)有問(wèn)題的區(qū)域，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)。過(guò)渡區(qū)應(yīng)該盡可能對(duì)稱(chēng)和均衡，變厚度部位的階差、各層臺(tái)階設(shè)計(jì)寬度應(yīng)相等，臺(tái)階寬度應(yīng)等于或大于2.5mm。為防止臺(tái)階處剝離破壞，表面應(yīng)至少有一層完整連續(xù)的外鋪層覆蓋所有的階梯鋪層。層合板特征設(shè)計(jì)u變厚度設(shè)計(jì)變厚度區(qū)域的過(guò)渡設(shè)計(jì)見(jiàn)圖層合板特征設(shè)計(jì)u開(kāi)口設(shè)計(jì) 開(kāi)口勢(shì)必影響復(fù)合材料層合板結(jié)

17、構(gòu)強(qiáng)度，增加工藝難度。但由于工藝、檢查維護(hù)、設(shè)備安裝、管路通過(guò)等，需要在層合板上開(kāi)口，考慮開(kāi)口尺寸和形狀時(shí)，應(yīng)盡可能少地切斷纖維。層壓結(jié)構(gòu)上的開(kāi)口邊緣，一般都應(yīng)采取一定的加強(qiáng)。 層合板特征設(shè)計(jì)u開(kāi)口設(shè)計(jì)開(kāi)口設(shè)計(jì)見(jiàn)下圖層合板特征設(shè)計(jì)u單向加筋板設(shè)計(jì) 單向加筋板一般出現(xiàn)于機(jī)翼類(lèi)結(jié)構(gòu)的翼面壁板，有效增強(qiáng)薄壁面板的剛度，加強(qiáng)筋鋪層設(shè)計(jì)見(jiàn)下圖。層合板設(shè)計(jì)其他原則a)腐蝕控制：當(dāng)設(shè)計(jì)直接與鋁合金、合金鋼接觸的構(gòu)件時(shí)，接觸面應(yīng)布置玻璃布層，把碳纖維復(fù)合材料與上述金屬隔離開(kāi)。b)公差控制：當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)公差有嚴(yán)格要求而難以由成型工藝直接獲得其尺寸公差的構(gòu)件時(shí)，擬控制公差部位的表面應(yīng)布置專(zhuān)供機(jī)械加工的輔助鋪層，通過(guò)對(duì)

18、輔助鋪層的加工，達(dá)到精確控制厚度公差的目的。層合板設(shè)計(jì)其他原則c)表面翹曲穩(wěn)定性：各向異性層合板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（表面翹曲）分析比正交各向異性或反向同性板要復(fù)雜的多。若不使用緊固件，則在表面與加強(qiáng)筋的結(jié)合線上需要考慮諸如粘接及層間拉伸破壞的等效失效模式。 復(fù)合材料的翹曲穩(wěn)定性是疊加順序的函數(shù)，采用（-45/0-45/90）s的疊加順序可改善穩(wěn)定性。層合板設(shè)計(jì)其他原則d)疲勞 避免疲勞問(wèn)題的最好方法是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)。由于疲勞而導(dǎo)致過(guò)早破壞的一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下：缺口和尖角；橫截面的急劇變化；局部墊層；過(guò)大的偏心載荷；緊固連接；榫接。層合板設(shè)計(jì)其他原則e)沖擊損傷 對(duì)復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，沖擊損傷是

19、至關(guān)重要的，即使沖擊物的動(dòng)能很低，而且表面不顯示出任何損傷的情況，也有產(chǎn)生分層的趨勢(shì)，使抗壓強(qiáng)度下降直至出現(xiàn)事故。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下各項(xiàng)：減少過(guò)多的取向相同的層數(shù)；在碳纖維層合板中加進(jìn)諸如芳綸、玻璃纖維等的混合材料來(lái)增加抗沖擊性（但可能導(dǎo)致由熱產(chǎn)生的微觀裂紋）；在層合板的外層使用45度的層合板來(lái)增加損傷容限；在外層使用織物層增加破壞容限；采用熱塑性體系樹(shù)脂，比熱固性體系的損傷容限高。層合板設(shè)計(jì)其他原則f)復(fù)合材料熱膨脹 混合層合板，在復(fù)合材料鋪貼中還有兩種或更多種的材料，需考慮內(nèi)部熱膨脹效應(yīng)。復(fù)合材料的熱膨脹即使在初始設(shè)計(jì)階段也是一個(gè)非常重要的因素。因?yàn)椋?）復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)具有方向性，隨

20、纖維取向而變化；（2）許多復(fù)合材料在纖維方向的熱膨脹系數(shù)接近于0，金屬和復(fù)合材料的膠接可能產(chǎn)生熱應(yīng)力。層合板設(shè)計(jì)其他原則以下結(jié)構(gòu)需要考慮熱膨脹的影響：膠接、共固化或共壓實(shí)的結(jié)構(gòu)，以及在使用中要經(jīng)受高溫或低溫的結(jié)構(gòu)；組成結(jié)構(gòu)的材料的熱脹系數(shù)不同；由兩種或兩種以上的復(fù)合材料膠接而成的層合板。層合板設(shè)計(jì)其他原則減少熱膨脹影響的方法：采用對(duì)稱(chēng)的層合板，其翹曲和變形最?。豢梢越柚黾訉雍习逯械?0度方向鋪層的百分?jǐn)?shù)使層合板0度方向的熱膨脹系數(shù)增加，相反卻減少了90度方向的熱膨脹系數(shù)；通過(guò)裁剪使層合板的熱膨脹系數(shù)為所需要的。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)為一種多層復(fù)合板，由上、下面板和中間的芯子組成，用膠粘

21、劑把面板和芯子連接在一起。面板為強(qiáng)度和剛度較大的層合復(fù)合材料，芯子一般為蜂窩狀輕質(zhì)構(gòu)造。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的比剛度性能，以一定高度的輕型芯子支持很薄的上下面板，因此能夠以很少的材料獲得很高的彎曲剛度，這是蜂窩夾層板的最重要的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。較高的比強(qiáng)度性能，由于芯子對(duì)面板的連續(xù)支持，使薄面板可充分發(fā)揮其拉伸或壓縮的承載能力而不易屈曲。良好的抗疲勞、阻尼減振、隔聲、吸聲和隔熱等性能，由于蜂窩夾層板是膠接結(jié)構(gòu)，芯子和面板是連續(xù)連接，以及芯子具有特殊的性能，因而可以達(dá)到上述優(yōu)良性能。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)夾層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性，蜂窩夾層板由兩層復(fù)合材料面板和一層芯子組合而成，設(shè)計(jì)中可改多個(gè)材

22、料和尺寸參數(shù)來(lái)滿足性能的需求。具有平整的表面。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)成本低。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面板設(shè)計(jì) ： 面板與夾芯采用共固化工藝，則每塊面板鋪層本身不需要對(duì)稱(chēng)，但上、下面板鋪層相對(duì)夾芯對(duì)稱(chēng)。 采用面板先固化，后與夾芯共固化，則要求每塊面板本身應(yīng)為對(duì)稱(chēng)鋪層。 面板的鋪層構(gòu)成，對(duì)于常用的芳綸紙（NOMEX）蜂窩結(jié)構(gòu)，如采用單向帶作面板，基本鋪層約為34層，有織物構(gòu)成的面板，基本鋪層約為23層。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)夾芯設(shè)計(jì)：a)圖紙中應(yīng)標(biāo)注拉伸方向（即L向）b)夾芯拼接設(shè)計(jì)由于半成品的限制，或用不同密度芯子，L、W方向拼接時(shí)，只需在對(duì)縫處加發(fā)泡膠拼接，注意：L方向的芯子拼接應(yīng)慎用，一般用W方向。從加工要求

23、考慮，芯子的最小厚度應(yīng)大于3mm，芯子邊緣的收邊角（2030），邊緣最小厚度0.51mm。芯格孔軸線應(yīng)盡量垂直弦平面，以利于承載和膠接成型。芯子的縱向（L向 ）應(yīng)與主受載方向一致。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)夾芯設(shè)計(jì)：c)芯子形狀要求：設(shè)計(jì)時(shí)芯子外形面應(yīng)盡量避免太多的下陷臺(tái)階，實(shí)際結(jié)構(gòu)中，細(xì)致外形面有時(shí)為光滑雙曲面，過(guò)渡區(qū)為斜削面；有時(shí)在層合板變截面又要求加工出凹陷，這些區(qū)域?qū)π咀蛹凹庸び幸欢ǖ囊?。d)同一夾層結(jié)構(gòu)可以根據(jù)載荷大小不同用不同密度的芯子，它們之間用帶狀泡沫拼接，拼接處要求在固化過(guò)程中芯子要保持在固定的位置，為簡(jiǎn)化工藝，建議拼接在毛料狀態(tài)進(jìn)行。e)芯子下陷深度一般要求負(fù)公差，由膠層補(bǔ)償，對(duì)于較大

24、面積超差凹陷，允許采用預(yù)固化好的玻璃纖維層合板墊片來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)夾芯設(shè)計(jì)中需考慮的問(wèn)題：為了滿足蜂窩夾層板的強(qiáng)度和剛度要求，對(duì)面板和芯子有如下承載要求：面板應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，足以承受由設(shè)計(jì)載荷引起的面內(nèi)拉、壓和剪切應(yīng)力。面板應(yīng)具有足夠的剛度，以防止面板的局部屈曲失穩(wěn)。芯子應(yīng)具有足夠的高度，不造成夾層板的整體失穩(wěn)、剪切破壞和過(guò)度變形。芯子應(yīng)具有足夠的橫向抗拉強(qiáng)度，以防止橫向載荷或彎曲引起的壓應(yīng)力作用時(shí)芯子的壓塌破壞。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)蜂窩夾層板力學(xué)性能特征：彎矩主要由面板承受，蜂窩夾層板由面板承擔(dān)的彎矩要遠(yuǎn)大于由芯子承擔(dān)的彎矩。面板中的應(yīng)力沿厚度接近均勻分布。由于蜂窩夾層板面板很薄，面板中的

25、最低應(yīng)力和平均應(yīng)力相差很小，面板中的應(yīng)力可認(rèn)為沿厚度接近均勻分布。橫向剪力主要由芯子承擔(dān)。蜂窩夾層板受載時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎矩和垂直于板面的橫向剪力，橫向剪力在蜂窩夾層板中產(chǎn)生相應(yīng)的橫向剪應(yīng)力，由于面板很薄，能承擔(dān)的橫向剪力不大，橫向剪力主要由芯子承擔(dān)。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)蜂窩夾層板力學(xué)性能特征：通常不能忽略芯子的橫向剪切應(yīng)變，由于蜂窩夾層板芯子的橫向剪切彈性模量不大，因此橫向剪切應(yīng)變不能忽略。在力學(xué)分析時(shí)，如果分析結(jié)構(gòu)的剛度性質(zhì)（變形、穩(wěn)定性、頻率等），可以把夾層板看成一種特殊形式的層合復(fù)合材料板來(lái)處理，但如果需要分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題，最好按分層方式處理。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)蜂窩夾層板的埋件設(shè)計(jì)：為了保證蜂窩夾層板的連

26、接強(qiáng)度和剛度，蜂窩夾層板本身不能直接與其他構(gòu)件連接，必須在蜂窩夾層板中埋入一個(gè)零件，通過(guò)零件中的孔或螺孔，采用螺釘把蜂窩夾層板與其他結(jié)構(gòu)件相連，由于埋件要傳遞較大的集中載荷，應(yīng)考慮合適的埋件形式，以便盡可能的擴(kuò)散載荷，在埋件周?chē)刹扇【植吭鰪?qiáng)措施，如加密芯子，充填硬質(zhì)泡沫塑料或局部面板增強(qiáng)等措施。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)蜂窩夾層板防潮結(jié)構(gòu)的密封設(shè)計(jì)：蜂窩夾層結(jié)構(gòu)是相對(duì)封閉的結(jié)構(gòu)，一旦水分進(jìn)入芯格之后很難排除及蒸發(fā)，造成膠退化及芯子腐蝕，因此，夾層結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行防潮的密封設(shè)計(jì)，可采取以下措施：（1）復(fù)合材料表面涂密封劑；（2）適當(dāng)增加面板厚度，防止穿透面板；（3）對(duì)水分可能進(jìn)入的通道進(jìn)行密封。概述復(fù)合材料力學(xué)

27、分析方法的選擇彈性力學(xué)基本方程有限元分析l靜動(dòng)力學(xué)分析模型的建立l分析軟件l失效準(zhǔn)則l疊層復(fù)合材料的強(qiáng)度分析l層間應(yīng)力分析l蜂窩夾芯板的等效計(jì)算l螺釘連接計(jì)算復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)概述 目前，對(duì)于各種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析主要有解析法與數(shù)值方法兩種途徑。 解析方法可以得到對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算有指導(dǎo)性或普遍意義的結(jié)論、方法和公式，而且對(duì)于許多復(fù)合材料分析的特殊問(wèn)題，依靠現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟件還無(wú)法解析，需要運(yùn)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)的概念和方法來(lái)分析和解釋?zhuān)恍┑湫偷木_解析解是判定有限元法分析正確性的依據(jù)。 但是，能采用解析方法求解的問(wèn)題很少，特別是工程實(shí)際問(wèn)題。因此，實(shí)際應(yīng)用中多采用數(shù)值方法求解。概述采用數(shù)值方法求解的

28、優(yōu)點(diǎn)：a)解決實(shí)際工程中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)分析問(wèn)題。尤其是任意幾何形狀、邊界條件、載荷和鋪層方式情形，可以方便地求解。b)提供靈活的分析手段，獲得更多的結(jié)果信息，例如，可同時(shí)獲得位移、應(yīng)力結(jié)果，并可進(jìn)一步應(yīng)用強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。c)適應(yīng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要，提高運(yùn)算效率。d)滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特殊分析問(wèn)題的需要。如開(kāi)口、自由邊、膠接接頭等局部位置的分析。復(fù)合材料力學(xué)分析方法的選擇 力學(xué)分析是層壓板是設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)，必須采用較精確而又簡(jiǎn)單的工程分析方法。在力學(xué)分析方法的選擇上，應(yīng)遵循以下原則：1）在薄壁結(jié)構(gòu)中，層壓板總體剛度的計(jì)算，一般采用平面應(yīng)力狀態(tài)的層壓板理論，不考慮三維應(yīng)力和層間應(yīng)力的

29、影響。2）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則，以采用二次型的失效準(zhǔn)則為宜。在層壓板的強(qiáng)度計(jì)算中，只有最先一層失效強(qiáng)度的計(jì)算較準(zhǔn)確，而最后一層失效強(qiáng)度（即極限強(qiáng)度）的計(jì)算迄今尚無(wú)公認(rèn)的準(zhǔn)確方法。復(fù)合材料力學(xué)分析方法的選擇3）材料的基本性能，應(yīng)采用由標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能試驗(yàn)方法測(cè)得的值，或由使用性能手冊(cè)查得。4）關(guān)于環(huán)境影響的考慮，對(duì)于樹(shù)脂基復(fù)合材料，應(yīng)考慮層壓板因固化溫度與工作溫度之差，以及工作環(huán)境濕度所引起的殘余應(yīng)力?？梢圆捎镁€性的溫度和濕度膨脹公式，要有由試驗(yàn)測(cè)得的精確的材料熱膨脹系數(shù)和濕膨脹系數(shù)以及由試驗(yàn)測(cè)得的溫度和水分對(duì)纖維和基體的剛度和強(qiáng)度影響的曲線或數(shù)據(jù)。彈性力學(xué)基本方程 單層復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

30、（假設(shè)厚度方向很小，3=0）平面內(nèi)的剪應(yīng)變。為方向的法應(yīng)變；、為沿、平面內(nèi)的剪應(yīng)力；為方向的法應(yīng)力；、為沿、212121210000,12211221662212121112211221QQQQQQQ彈性力學(xué)基本方程單層復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Q為單層復(fù)合材料的剛度矩陣，與常規(guī)工程彈性常數(shù)關(guān)系如下：126621122222112212122112111)1/()1/()1/(GQEQEQEQ112221121221/212121EEGEE平面內(nèi)的泊松比，且為平面內(nèi)的剪切模量為方向的彈性模量、為沿、彈性力學(xué)基本方程 偏軸方向的剛度系數(shù)設(shè)層合復(fù)合材料坐標(biāo)x-y某單層1-2坐標(biāo)與之夾角為i該單層在x-y

31、坐標(biāo)系下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如下：xyi2166221212110000,QQQQQQQxyyxxyyx彈性力學(xué)基本方程偏軸剛度計(jì)算 2222222222221222222122,2222mllmlmlmlmlmmlTmllmlmlmlmlmmlTmllmlmlmlmlmmlTTQTQTT式中，彈性力學(xué)基本方程 疊層復(fù)合材料的剛度系數(shù)計(jì)算設(shè)疊層復(fù)合材料由n層單向板沿z向疊合而成，可推導(dǎo)出疊層復(fù)合材料的廣義應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為：化向量為中面曲率（扭率）變?yōu)橹忻鎽?yīng)變向量寬度的內(nèi)力矩為復(fù)合材料截面上單位寬度的內(nèi)力為復(fù)合材料截面上單位000MNDBMBAN彈性力學(xué)基本方程 A、B、D分別為層合板拉壓剛度矩陣、拉（壓

32、）彎（扭）剛度矩陣和彎曲（扭轉(zhuǎn)）剛度矩陣，式中：)()(31)()(21)()(,313122/2/21212/2/112/2/662616262212161211662616262212161211662616262212161211kkknkijijijkkknkijijijkkknkijijijzzQdzzQDzzQdzzQBzzQdzQADDDDDDDDDDBBBBBBBBBBAAAAAAAAAA有限元分析l靜、動(dòng)力學(xué)分析模型的建立 復(fù)合材料有限元分析需根據(jù)計(jì)算軟件和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，建立符合計(jì)算要求的詳細(xì)分析模型，有限元建模的一般步驟為：建立幾何模型；劃分單元網(wǎng)格；定義邊界條件；定

33、義材料和單元屬性（鋪層方式定義）；建立分析工況；模型檢查。 靜力學(xué)模型建立：根據(jù)結(jié)構(gòu)的承力特性，采用復(fù)合材料梁元、板元、體元等基本的有限元素對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，在單元特性的定義中賦予材料和截面特性，一般情況下，按照正交各向異性定義單向板材料，再定義鋪層順序、鋪層角度和單層厚度。梁元需輸入截面力學(xué)參數(shù)。有限元分析復(fù)合材料分析軟件按使用要求一般可分為：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化軟件（ESAcomp、HyperSizer）結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和強(qiáng)度校核軟件（NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等）動(dòng)力分析軟件耐久性和損傷容限分析軟件連接開(kāi)口等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)與分析軟件穩(wěn)定性分析軟件有限元分析l復(fù)合材料分析常用失效準(zhǔn)則 復(fù)合材

34、料鋪層的失效分析是應(yīng)用鋪層的基本強(qiáng)度和失效準(zhǔn)則，判別復(fù)合材料鋪層在某種應(yīng)力狀態(tài)下是否失效。 對(duì)復(fù)合材料層壓板進(jìn)行有限元分析，得到不同鋪層角度單層板各方向的應(yīng)力分量，可以與其單向板的拉伸、壓縮以及剪切強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，應(yīng)用復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則可以獲得復(fù)合材料層壓板的失效因子與承載能力。 常用失效準(zhǔn)則有：最大應(yīng)力準(zhǔn)則、最大應(yīng)變準(zhǔn)則、Tsai-Hill準(zhǔn)則、Hoffman準(zhǔn)則和Tsai-Wu準(zhǔn)則。有限元分析l復(fù)合材料分析常用失效準(zhǔn)則最大應(yīng)力準(zhǔn)則： 不論什么應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)鋪層正軸向的任何一個(gè)應(yīng)力分量達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)，材料就失效，即只要滿足失效準(zhǔn)則式中的任何一個(gè)，材料就失效。 此準(zhǔn)則適用于0/90s層壓板或0或

35、90向單軸拉伸。SYYXXctct122211)()(壓縮時(shí)：壓縮時(shí)：有限元分析l復(fù)合材料分析常用失效準(zhǔn)則最大應(yīng)變準(zhǔn)則： 不論什么應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)鋪層正軸向的任何一個(gè)應(yīng)變分量達(dá)到極限應(yīng)變時(shí)，材料就失效，即只要滿足失效準(zhǔn)則式中的任何一個(gè)，材料就失效。sctct122211)()(壓縮時(shí)：壓縮時(shí)：有限元分析l復(fù)合材料分析常用失效準(zhǔn)則Tsai-Hill準(zhǔn)則：不論什么應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)鋪層正軸向的應(yīng)力滿足失效準(zhǔn)則時(shí)，材料就失效。 該準(zhǔn)則優(yōu)點(diǎn)是只需一個(gè)方程表示，且考慮了各應(yīng)力分量之間的連續(xù)。從偏軸拉伸和壓縮試驗(yàn)結(jié)果看，該準(zhǔn)則較接近試驗(yàn)結(jié)果。12212222221221SYXX有限元分析l復(fù)合材料分析常用失效準(zhǔn)

36、則Hoffman準(zhǔn)則：不論什么應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)鋪層正軸向的應(yīng)力滿足失效準(zhǔn)則時(shí)，材料就失效。該準(zhǔn)則與Tsai-Hill準(zhǔn)則相比，考慮了復(fù)合材料拉伸和壓縮強(qiáng)度的差別。1221221222121SYYYYXXXXYYXXcttccttcctct有限元分析l復(fù)合材料分析常用失效準(zhǔn)則Tsai-Wu失效準(zhǔn)則：不論什么應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)鋪層正軸向的應(yīng)力滿足失效準(zhǔn)則時(shí)，材料就失效。1222112666222221122111FFFFFF1262662221111111111SFYYFYYFXXFXXFctctctct一般，11*12F而221112*12/FFFF 應(yīng)用廣義強(qiáng)度準(zhǔn)則的復(fù)合材料分析 可以得到類(lèi)似廣義“

37、Tsai-Wu強(qiáng)度準(zhǔn)則”的表達(dá)式為： 對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)常用的典型鋪層可以通過(guò)試驗(yàn)的方法確定其強(qiáng)度參數(shù)值，計(jì)算中可以獲得比較準(zhǔn)確的承載能力。1222112666222221122111FFFFFF1262662221111111111SFYYFYYFXXFXXFctctctct蜂窩夾芯板的等效分析蜂窩夾芯板的等效分析 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)用也比較廣泛，由于沒(méi)有蜂窩結(jié)構(gòu)的單元庫(kù)，因而必須對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效處理。 以正六邊形蜂窩板為對(duì)象，對(duì)蜂窩板等效分析進(jìn)行介紹。 三明治夾芯板理論：假定芯層能夠抵抗橫向剪切變形并且具有一定的面內(nèi)剛度，上下蒙皮忽略其抵抗橫向剪應(yīng)力的能力，則蜂窩芯層可以等效為一均

38、質(zhì)的厚度不變的正交異性層。蜂窩夾芯板的等效分析蜂窩夾芯板的等效分析 正六邊形蜂窩的胞元示意圖如圖，對(duì)于正六邊形蜂窩，等效彈性參數(shù)表示為： 其中，E、G為夾芯材料的工程常數(shù)；l、t為蜂窩胞元參數(shù)；為修正系數(shù)，和工藝有關(guān)，一般取0.40.6.GltGGltGEltGEltEEyzxzxyxyyx23,3,2331,3433tl螺栓連接分析分析螺栓連接分析分析 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的實(shí)際連接形式主要有膠接、鉚接、螺接三種，通常情況下，對(duì)于膠接、鉚接形式一般理想化為剛性連接，對(duì)螺接形式要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行建模分析。 螺栓的幾種簡(jiǎn)化模型：采用彈簧元模擬螺栓：兩被連接件之間分別采用三個(gè)方向的彈簧元來(lái)模擬螺栓的連接作

39、用，其中螺栓承受拉壓的剛度由Z方向的彈簧元模擬，K=EA/L,其中E為螺栓材料彈性模量，A為螺栓截面積，L為螺栓長(zhǎng)度。螺栓承受的面內(nèi)剛度由X和Y向的彈簧元模擬，彈簧剛度為GA，G為螺栓剪切模量。螺栓連接分析分析采用GAP元和兩板一梁元模擬螺栓螺栓采用兩板一梁元模擬，即螺桿用一圓形截面梁模擬，梁元采用NASTRAN程序中的BAR元素。螺栓頭用板元來(lái)模擬，梁元節(jié)點(diǎn)與螺栓頭圓心處的節(jié)點(diǎn)相連。這種模型模擬的螺栓可以承受拉、剪力和彎矩、扭矩。螺栓頭有限元網(wǎng)格劃分與被連接件孔邊網(wǎng)格對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)點(diǎn)采用間隙元GAP模擬螺栓和被連接件的解除了傳遞。模型示意圖如左圖。GAP元只受壓不受拉，模擬緊固件的擠壓作用。釘板

40、GAP元復(fù)合材料優(yōu)化分析 采用NASTRAN有限元分析軟件，計(jì)算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力水平，變形以及失效因子等參數(shù)，應(yīng)用遺傳算法的優(yōu)化方法，得出最小重量、最小位移和最小變形的鋪層設(shè)計(jì)，具體的計(jì)算方法如下：結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度計(jì)算采用NASTRAN軟件；采用Tsai-Wu準(zhǔn)則進(jìn)行復(fù)合材料失效因子計(jì)算；對(duì)各個(gè)目標(biāo)函數(shù)（失效因子、變形位移等）采用加權(quán)系數(shù)法進(jìn)行處理成單目標(biāo)優(yōu)化；復(fù)合材料優(yōu)化分析優(yōu)化方法采用“遺傳算法”和步進(jìn)法結(jié)合的方法；并行計(jì)算分析和優(yōu)化；應(yīng)用“三向剛度方法”將計(jì)算結(jié)果（包括任意角度的鋪層原準(zhǔn)成工程上常用的0、45、-45、90角度鋪層。輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)適應(yīng)度結(jié)果數(shù)據(jù)適應(yīng)度結(jié)果數(shù)據(jù)網(wǎng)格軟件網(wǎng)格軟

41、件JobScheduleJobSchedule遺傳算法程序遺傳算法程序A A輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)遺傳算法程序遺傳算法程序B BNASTRANNASTRANNSASTRANNASTRAN優(yōu)化流程圖復(fù)合材料單向板力學(xué)性能復(fù)合材料層壓板力學(xué)性能測(cè)試與表征l拉伸性能l壓縮性能l彎曲性能l層間剪切性能l縱橫剪切性能l斷裂韌性l沖擊性能l疲勞性能復(fù)合材料單向板力學(xué)性能 一般認(rèn)為復(fù)合材料單向板宏觀上沿橫向（2-3平面）為各向同性材料，因此需要確定5個(gè)獨(dú)立的彈性系數(shù)：E1、E2縱、橫向彈性模量121-2平面內(nèi)泊松比G121-2平面內(nèi)剪切模量G23(或者23）2-3平面內(nèi)剪切模量或泊松比復(fù)合材料單向板力學(xué)性能 對(duì)于

42、 橫觀各向同性的單向板，由于受拉和受壓時(shí)的破壞方式和載荷不同，因此，一般要分別確定受拉和受壓的強(qiáng)度，需要6個(gè)獨(dú)立的破壞強(qiáng)度值：1T縱向拉伸強(qiáng)度1c 縱向壓縮強(qiáng)度2T橫向拉伸強(qiáng)度2c橫向壓縮強(qiáng)度B 1-2平面內(nèi)縱向剪切強(qiáng)度B232-3平面內(nèi)橫向剪切強(qiáng)度l拉伸性能測(cè)試試樣幾何形狀及尺寸（GB3354）l拉伸性能測(cè)試試驗(yàn)條件：按照GB 1446纖維增強(qiáng)塑料性能使用方法總則和QJ971-86規(guī)定。試驗(yàn)溫度232，試驗(yàn)相對(duì)濕度4555%。加載速度：16mm/min。試樣要求：不少于5件測(cè)量：變形或應(yīng)變l拉伸性能測(cè)試T300T300碳纖維復(fù)合碳纖維復(fù)合材料破壞模式材料破壞模式T700T700碳纖維復(fù)合碳纖

43、維復(fù)合材料破壞模式材料破壞模式l拉伸性能測(cè)試計(jì)算：拉伸強(qiáng)度）試樣厚度（）試樣寬度（）荷值（試樣破壞時(shí)的最大載）拉伸強(qiáng)度（mmmmNMPahbphbpbtbtl拉伸性能測(cè)試計(jì)算：拉伸模量對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽颗c）測(cè)量標(biāo)距（）內(nèi)的變形增量（對(duì)應(yīng)的標(biāo)距與）的載荷增量（應(yīng)變曲線上初始直線段載荷）拉伸模量（pllplpEhbpElhblpEtttmmmmN-MPa/l拉伸性能測(cè)試計(jì)算：泊松比）的變形增量（和相對(duì)應(yīng)的標(biāo)距分別為與、）測(cè)量標(biāo)距（分別為縱向和橫向的、向）向）應(yīng)變和橫向應(yīng)變（相對(duì)應(yīng)的縱向（分別為與、泊松比mmpmmTLpLTLTLTTLLTTTTLLLLTLTlllllllllll壓縮性能測(cè)試 壓縮性能

44、試驗(yàn)按照GB/T2569-1995樹(shù)脂澆注體壓縮性能試驗(yàn)方法或QJ1403-88標(biāo)準(zhǔn)制備試件并進(jìn)行性能測(cè)試，壓縮模量及壓縮強(qiáng)度的計(jì)算與拉伸相同。圖 壓縮試驗(yàn)的典型破壞形式l壓縮試驗(yàn) 含有高壓縮強(qiáng)度纖維的復(fù)合材料的壓縮破壞是由纖維的失穩(wěn)，而不是由纖維的壓縮破壞所決定；在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常認(rèn)為拉伸模量和壓縮模量是相等的。施加壓縮載荷方法試樣端部直接加載：不適合高強(qiáng)度復(fù)合材料剪切方式加載：試樣帶有端部墊片，墊片的形狀、所用 材料和加工精度會(huì)影響破壞模式和強(qiáng)度直接和剪切混合加載l壓縮試驗(yàn)剪切方式加載的夾具直接和剪切混合加載l壓縮試驗(yàn)直接端部加載的夾具直接端部加載的夾具 非直接加載方法產(chǎn)生較低的數(shù)

45、值非直接加載方法產(chǎn)生較低的數(shù)值 試樣夾持上的輕微變化導(dǎo)致測(cè)得的壓試樣夾持上的輕微變化導(dǎo)致測(cè)得的壓縮強(qiáng)度變化高達(dá)縮強(qiáng)度變化高達(dá)30%30% 要求試樣、夾具的加工精度和操作人要求試樣、夾具的加工精度和操作人員的水平較高員的水平較高 應(yīng)變測(cè)試、對(duì)中等問(wèn)題應(yīng)變測(cè)試、對(duì)中等問(wèn)題l彎曲性能測(cè)試 彎曲性能試驗(yàn)按照GB/T 3356-1999纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)方法制備試件并進(jìn)行性能測(cè)試，彎曲試驗(yàn)典型破壞形式如圖，在試件中部發(fā)生分層破壞，部分層面發(fā)生斷裂。圖 彎曲試驗(yàn)的典型破壞形式l彎曲性能測(cè)試試件幾何尺寸 試樣寬度b=12.50.5m；厚度h=2.00.2mm，跨厚比l/h=321（碳纖維增強(qiáng)）纖維

46、方向bLll彎曲性能測(cè)試彎曲強(qiáng)度和模量計(jì)算）的跨距中點(diǎn)處的撓度（對(duì)應(yīng)于）荷增量（撓度曲線上直線段的載對(duì)應(yīng)于載荷破壞時(shí)的最大載荷mmpN-423332fpfhblpEphblpfbbfl層間剪切性能測(cè)試試件幾何尺寸 試樣長(zhǎng)度L=l+10，l=5h(h為厚度），試樣寬度b=60.5mm，試樣厚度h=25mm纖維方向bLll彎曲試驗(yàn)四點(diǎn)彎曲四點(diǎn)彎曲對(duì)于對(duì)于產(chǎn)生較大撓度的材料產(chǎn)生較大撓度的材料適用于采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)適用于采用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)l層間剪切性能層間強(qiáng)度計(jì)算）荷（試樣破壞時(shí)的最大載N43bbsphbpl縱橫剪切性能測(cè)試縱橫剪切性能試驗(yàn)按照GB 3355-82纖維增強(qiáng)塑料縱橫剪切試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)制備試件

47、并進(jìn)行性能測(cè)試，單向纖維增強(qiáng)板縱橫剪切和正交纖維增強(qiáng)板縱橫剪切示意圖見(jiàn)下圖。LTLTl縱橫剪切性能測(cè)試縱橫剪切性能試驗(yàn)試樣幾何形狀試樣厚度為2s6s鋪層板的厚度，s代表對(duì)稱(chēng)鋪層，如1s為451s即45/-45/45/-45纖維方向2505050100250.5l縱橫剪切性能測(cè)試縱橫剪切模量的計(jì)算變?cè)隽繉?duì)應(yīng)的試樣垂直方向應(yīng)與量對(duì)應(yīng)的試樣軸向應(yīng)變?cè)雠c）上選取的載荷增量（載荷應(yīng)變曲線直線段）縱橫剪切模量（ppNMPa)/(2yxyxpGhbpG抗損傷性能復(fù)合材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力復(fù)合材料斷裂韌性和抗裂紋擴(kuò)展阻力斷裂表面能表征本質(zhì)斷裂表面能（）定義：產(chǎn)生單位自由表面所需的定義：產(chǎn)生單位自由表面所需的最最小小能量能量。含義：由于裂紋擴(kuò)展過(guò)程產(chǎn)生含義：由于裂紋擴(kuò)展過(guò)程產(chǎn)生兩個(gè)兩個(gè)自由表面自由表面，往往用斷裂阻力，往往用斷裂阻力R R表示，表示，R R22。R R實(shí)際上是斷裂表面能。由實(shí)際上是斷裂表面能。由此可見(jiàn)裂紋擴(kuò)展的此可見(jiàn)裂紋擴(kuò)展的能量條件能量條件是能量是能量釋放率釋放率G G必須等于必須等于R R。G Gc