12級復合材料結(jié)構(gòu)設計參考資料

1、復合材料結(jié)構(gòu)設計參考資料復合材料與工程考試形式筆試閉卷考試時間和地點時間：2015 年 6 月 25 日 14:00-15:40地點：材料學院A107題型與分數(shù)分布一.名詞解釋二.填空題三.簡答題四.計算題a.縱向單軸試驗:、緒論.復合材料：由兩種或兩種以上具有不同的化學或物理性質(zhì)的組分材料組成的一種與組分材 料性質(zhì)不同的新材料，且各組分材料之間具有明顯的界面。一相為連續(xù)相，稱為基體；起連接增強體、傳遞載荷、分散載荷的作用。一相為分散相，稱為增強體（增強相）或功能體。是以獨立的形態(tài)分布在整個連續(xù)相中的， 兩相之間存在著相界面。（分散相可以是增強纖維，也可以是顆粒狀或彌散的填料） 主要起承受載荷

2、的作用，賦予復合材料以一定的物理、化學功能。.復合材料分類：A按基體材料分：樹脂基的復合材料、金屬基復合材料、無機非金屬復合材料B按分散相形態(tài)分：連續(xù)纖維增強、纖維織物增強、片狀材料增強、短纖維增強、顆粒增強C按增強體材料種類分類：玻璃纖維、碳纖維、有機纖維、金屬纖維、陶瓷纖維。D按用途分類：結(jié)構(gòu)復合材料：利用復合材料的各種良好力學性能用于制造結(jié)構(gòu)的材料。功能復合材料：指具有除力學性能以外其他物理性能的復合材料.復合材料的結(jié)構(gòu)層次：三次結(jié)構(gòu)：纖維纏繞壓力容器，即平常所說的制品結(jié)構(gòu)（a）二次結(jié)構(gòu)：從容器壁上切取的殼元即是由若干具有不同纖維方向的單層材料按一定順序疊合而成的層合板（b）一次結(jié)構(gòu)：層

3、合板的一個個鋪層，是層合板的基本單元（c）二、單層板的宏觀力學分析1.單層板的正軸剛度 正向：也就是說應力方向與坐標方向一致方向為正向，相反為負向。正面：截面外法線方向與坐標軸方向一致的面，否則為負面。bl和（t2表示正應力分量：拉伸為正，壓縮為負，也就是使整 個單層板產(chǎn)生拉伸時的應力為正應力，而使單層板產(chǎn)生壓縮時的應 力為負應力。12表示剪應力分量：其中正面正向為正；負面負向也為正。A.力學實驗縱向泊松比Vi是單層板由于縱向單軸應力b1而引起的橫向線應變e 2與縱向線應變e 1的比值。（e 2表示的是這個應變是由縱向應力1引起的）b.橫向單軸試驗型c.面內(nèi)剪切實驗由試驗測的面內(nèi)剪切彈性模量，

4、反應了單層板在其面內(nèi)的抗剪切剛度特性。在相同的P2下,Gl2越大，丫 12越小。B虎克定律的推導-應力關系（用柔量分量或柔度分量）廣義并克定律a.單層板正軸向的應變b.單層板正軸向的應力-應變關系（用模量分量或剛度分量）C.工程彈性常數(shù)與柔量分量及模量分量的關系根據(jù)以上討論可期,用二組材J之三1一；一任二的正曾 度，梆TT五個這五T/不 是建立的.獨立的只和內(nèi)外， 伸d門士 同存在一個苦率 K.例1,已恥盛期I歲復口新司艇;阻柘叫E8.2?GPa（、出血如戊麻為朝工方陽釗強 *第為:軒域皆須4案觸觸幅“自號MJtM冊量加則M4始喇 網(wǎng)Ml澗械晶黑丁/鬻索瑞歌鬻洪松蠹牌 變分鼠匕蟹反標E可野書牌

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6、應力的知峰槌揆公式. 那幺莪MJ盧過玨降空彩. 義 即以指爭JFA正由應力求施他應力的關雜式. 修成也陣形式如小面的這個公式TPism=。茂前事，0/一日|由附立災關志 本正講喀室縱存 劉專換公代Rh例皴療-mil am伶Ml ItHilifg?nin32 Miti2%加日KJ應中由“曲妒偉白nT a*口。* Min。 NMe曰kx 6空h用 而口”用B.偏軸工程彈性常數(shù)、柔量、模量推導偏軸工程彈性常數(shù)：是單層在偏軸向受單軸應力或剪切應力時的材料剛度性能參數(shù)偏軸柔量：由偏軸應力給出偏軸應變的應變-應力關系式確定的偏軸模量：由偏軸應變給出偏軸應變的應力-應變關系式確定的偏鈾模量11J牯鹿量互道支

7、拴利用這三組關系式經(jīng)過圖中推導流程，得到 正軸工程彈性常數(shù)與偏軸工程彈性常數(shù)之間 的轉(zhuǎn)換關系修“工程甑身仔工日柔量和正軸柔量之間的關系式利用偏軸柔量與偏軸工程彈性 常數(shù)之間的關系式感設一單層版祗，#、1北、口網(wǎng)的作用應力置兄E求 使電融版麹理大的甯咖防雨的黜.1幅】可謂？現(xiàn)蓑觀無限大懶切用鼠蛔試標當v 產(chǎn)時一嫄財無聯(lián)意伯一41-&7 _%豆 一品一% 一%G I 一一4號卷Br匚錢北里TiTXt、縱向壓縮強度3.單層板強度A正交各向異性單層板在平面應力狀態(tài)的基本強度指標：縱向拉伸強度Xc、橫向拉伸強度 Yt、橫向壓縮強度 Yc、面內(nèi)剪切強度 SB強度比（R）:單層在施加應力的作用下，極限應力的

8、某一分量與其對應的施加應力的分量之比稱為強度/應力比36s。四0*步!司泗vjE理產(chǎn)士f ,6各（1/ 腦比的也金曲為產(chǎn) EJci-ei-Q由 力 施加的近內(nèi)立亡笠內(nèi)要專曲時.什L甘是要全格度的一聊度.R 的具體融值M,施打應力或成變現(xiàn)失效時，修可附的應力新費第 常財為Hl，7IK-7,則同可中加L出的鼓宿才費發(fā)生喘胃.例5T3M/父惘曼奇財科取向板的應力狀恚如陰3.2所言.已加 產(chǎn)5coM融，配151試分別用最大應力強 使碓內(nèi)、楹大應變建世潴南、9和來強度椎事和演員掘星鹿則檢 核其我度.%燈配皿心.=40船a- 14舶MM-如MM融百元摹匕薄板事正貼三方ni-ccK15!O%6, fi-si

9、nl5=O.25f 2.2 1）可，花K的應力或正變小好之到期艮時,R-L材腎發(fā)生破壞 于1.小/海與實際意義當場峋勵其豉為一靴矢篁密醵腐髓質(zhì)力雕夷的摘亂：,2卜抵大J鼠力推皿校梅GJUMPak安全-：3J指fl大應文準踮慳管由 W LJ可祠產(chǎn) 1HQ% KWiMflto.均3a GUW747GP1. ,-j a -C 工恥上=44tMPk nrV9I*4d.B-DjQUH*ttJz1IM P臼星丈單堂厚度椎町第二個表達式.因此s是青金的臺5按蒙工張量擊T式也叫咬出由去2X1近RT3OT/520a顯巖可相應力空M的強度行政并代人式2 M.U可用吃時+ %冷+%產(chǎn)內(nèi)巧wMn由-MW* M 59H

10、 4ag十 10如Jf 43始后hlff*戶*瓢力mHTn MW不支登;1乂以上絕糧口：&者里-I;HH洞聲匕粒怕攫厘的學果1T三、層合板的宏觀力學分析.層合板是由兩層或者兩層以上按不同方向配置的單層板層合形成的整體的結(jié)構(gòu)單元。（單層板的性能與組分材料及材料主方向有關）中面：對層合板進行力學性能分析時，離層合板的兩個表面等距離的平面。.層合板的簡明標記方法：s表不對稱。0 5/90 2/45/90/0 3。這種偶數(shù)層對稱層合板：對稱鋪層只寫出一半，括號外加寫下標“ 奇數(shù)層對稱層合板：在對稱中面上的鋪層用頂標”表示。非對稱層合板，必須在標記中標明全部鋪層組的鋪設順序。例如: 層合板標記，僅表明由

11、底面向上至頂面的鋪設順序，而不能相反。 鋪設參數(shù)：層數(shù)鋪層材料、主方向、鋪層纖維種類、疊放次序9 fi S 9.fl A *T顯”45.11主Ci） V-ttlirtlMHIfO國手受辱事才才月的亮梢而M8方圖之耳哥單1廣外4 學匚一看 鏤下鼻上或由兇事0.工抖苗千年目iM0|.E用太0Q學出一T.括號條 耳下新T,麥承時HQ3H(S 的q:在彳鼻中市皆值書士&翩r第_JL.窗*星版It普摩 就Ml。q口門站網(wǎng)._J5_碗門醋H梅* MB口E家住西田電哂用臺HE川宇下斫1;卯00XMZI、3/電 zQC%6 Gfin 網(wǎng)-.。0仁H縫崢竹筆用巷*用/保親 Mi iC砂4G.區(qū)萬帕析* CH 出

12、事內(nèi)地+ B； MW b川MUQ3.層合板的種類A對稱層合板：指層合板中面兩側(cè)對應處的各單層材料相同、厚度相同、鋪層角相等層合板a正交對稱層合板只有相互垂直的兩種鋪層方向的對稱層合板，如(0/90/0sb對稱均衡層合板是指-?單層數(shù)和+?單層數(shù)相同的對稱層合板，均衡層合板還可以包含任意量的0度和90度的層。c對稱均衡斜交層合板一一僅僅由相同數(shù)量的板，不包含0度和90度的層，如-?姜幽魚邈耐輛葭B非對稱層合板3 2.2對稱層合板的面內(nèi)工將彈性常數(shù)套照定義單層偏軸L程彈性常數(shù)的方法定義層合扳的面內(nèi)工程通性常數(shù).C夾芯層合板：由兩層薄的高強度高位模曲逐對稱最畬板的面內(nèi)網(wǎng)所組.R層合板的商內(nèi)工程犁性常

13、效結(jié)構(gòu)的抗彎剛度JJ，HkL/LI- L J,H 憎工等LU函里除赳麟性營刎曲是定義.醐面內(nèi)邛力:原分利用材料的強度,:A Q = 4M，=%.=0,N：當對稻層合極猥訪向單向拉伸低輸時通定義：面內(nèi)拉壓彈性模量1舟硒,% 4 %_L”同理-層合板應受】一方向單向拉伸（壓縮）時,可得n；*qn = n面內(nèi)拉壓彈性模量甘=-5同理.僅受Ay方向考切應力時，3,2對稱層合板的面內(nèi)剛度3ym面內(nèi)剛度系數(shù)的計算層合板面眄用度年費日TU臺比懸MeiFR個中r若含匯成法，力日才事 一單U俎內(nèi)保碇皆母不3E,再幽典理四下交戒. y . 相鄰度的生椎差值,I=q）虛卜力4仁-埼可L 一二一一1k-lXH見：也的

14、島物拒吊的以，層布的正加化面內(nèi)向哇室鼓為:n 41浸R的*1 1;力界4 = H =(=二工上47 J 1-：生X因為途里討論的是曲林層向標.所聯(lián)對低后音秋的正 則化面內(nèi)慟圓浜勘4牛步父面內(nèi)泊松耦合系數(shù)面內(nèi)拉剪耦合系數(shù),01產(chǎn); r句 75(0E：E；G.JQ _用上虹理會性常段可以熱兇且合鎮(zhèn)金蓬目與面內(nèi)方的笑矗事3|工堂甘住*鼠廄 亡.，亡】成度聲置而內(nèi)野切彈性摸量弓= %V面內(nèi)胤拉福臺裁裁就。=?口脅面內(nèi)泊松II合耳效廿一冬61A： 面內(nèi)拉翦情臺卓致心/y .皿國K； = ；1=匚：=stjui,i,-斗，時上此m=&,即層合板上半部分或下半部分的單尾組總數(shù)為 心H程組奔向回隔為兀/G二3

15、。，又成為“5居合板匕-9,wwi 網(wǎng)尸二-y q a HlMR 2V 左 * h皿陽.v %加竭至小包心為。*和% 一法”*三舍，.”，, H k - ：.， .-,!， .； GIF悼*.9-?0窟JnroAifa.-tfvD一般兀/4層合板：各個單層均按0。、90。、45。、-45方向的一種或者幾種鋪設的對稱層合板稱為一般兀/4層合板。它是目前工程上主要應用的一類層合板， 如果各個單層組的材 料和厚度相同時，稱為標準的兀 /4層合板，也是準各向同性層合板。 0方向的單層用來承 受軸向載荷；90。方向的單層用來承受橫向載荷；土 45。單層用來承受剪切載荷。*，及明，*i.寧 /力 Ytro

16、,即律w代方前修RhiMA、*n4#X.Y，0 八.：，：，制符ft*方秋前為*小的解盜孱口/工=/點二*1E西總算作HifF文辰看杭：的片再出情不，心丫.中；芭兩拜幫巨安句的*層毋積吉孟韭町HA-二；值抖畫*口柒點工子西點作法套的，忸有學單號的土州三單品旭晟的居當糧.如砧干+4皿而W/點訃cdAF西點.注溫襄陽.僅已欠了單層記-*FS;HEF岳生根，*t-：.心jVfifliO面H加S于可占單層惇A吉方方二七零倒層土根才對三枇草，一定去?S=R.一般層合板：對單層材料、鋪疊方向與鋪設順序等沒有任何限制的各種層合板， 其的剛度 用層合板的剛度系數(shù) （層合板內(nèi)力-應變關系式的系數(shù)）、 柔度系數(shù)（

17、層合板應變-內(nèi)力關系 式的系數(shù)）和工程彈性常數(shù)三種形式給。彎曲率：層合板中面彎曲變形的曲率；扭曲率：層合板中面扭曲變形的曲率.為什么層合板的內(nèi)力表達式只能采用分層積分？經(jīng)典層合理論只考慮平面應力狀態(tài)，不考慮各單層之間的層間應力，由于層合板各單層的偏 軸模量可以是不同的，因此層合板的應力是不連續(xù)分布的，只能分層積分。8層合板強度計算比單層板復雜的原因?盡管層合板在載荷作用下， 應變沿著厚度方向的分布形式較為簡單； 但是層合板各個單層中 纖維的方向不一定相同， 也就是說層合板各個單層的偏軸模量可以不同，所以應力沿著厚度的分布要復雜的多。四、單層板的細觀力學分析.復合材料的細觀力學：是研究復合材料單

18、層的宏觀性能與組分材料性能及細觀結(jié)構(gòu)之間的 定量關系。它要揭示不同的材料組合具有不同宏觀性能的內(nèi)在機制。7叼%小注應,、）單層的工程彈性常數(shù)G單層的工程彈性常數(shù)X單層的強度mv一分的表示憚性侵歪泊槍比利住職含最*下機和叫分別代表夢舞和基體：.勺一 I； 一分別為纖格和球體的強度，.纖維體積含量及質(zhì)量分數(shù)FJr3單向連續(xù)纖維增強復合材料彈性常數(shù)的預測A串聯(lián)模型（模型I）:纖維薄片和基體薄片在橫向呈串聯(lián)形式，意味纖維在橫向完全被基 體隔開，適用于纖維所占百分比少的情況。a.縱向彈性模量Ei1土b橫向彈，f模量E21由慢牛I給出的低表性體積鼎元,L忙，力位忤用金均應力小，工左b,幾何關系算合上式即可

19、得這就是縱向彈性模量的混合法則公式,如果忽畸空隙含量的影響*則因此式U.3.5）又可寫或6二E/o+E/1t）從生層阪會五，單元生有引注岫為b -工 b機誑正*看.b =匕/血+%也沛于串麻穩(wěn)吧.a部分應內(nèi)相忖l因此.單小、纖雄川拈悻左嗟分別為故口得或改得成式中E1為觸層板的現(xiàn)向笄性模量,的標工表示由模4H所得到.I 1T.i=r = If * + 43 13c泊松比Vi1 /V21 （各向同性v取值范圍（-1,1/2）；正交各向異性取決于兩個彈性模量比值）但代*tfld* W*./也才向受繳7】橫向泊松比中 丸的橫向型花敏明.We出看也共則現(xiàn)家后,單元的橫向登福陶等于纖割與基體的橫向受那 之

20、和,iw- 3瞋,盧-塌”/一式中盯、為為軒錐.斑悻的飄向繾陞變.悔據(jù)幾何美景.EF維和堇體具有相間縱向線應殳，且等于單 后的雙向線應變= 1=* =7 因此 WjL 閃聲唱-閃皿=&=?% +?七=tv/ - VfVf + 叱小凸）面內(nèi)切切腹中的碗定1 1 就=區(qū)。+瓦0G，- 浴” G + GJl-v/）B并聯(lián)模型（模型n）:纖維薄片與基體薄片在橫向呈并聯(lián)形式，意味纖維在橫向完全連通,適用于纖維所占 百分比較高的情況。，向彈性模量從井族模型取出代表性悔枳單元，在正物L方同作用平均 出力叫.容昌看出,縱向伊性模量與中聯(lián)模里I相同，即E：=E；=E產(chǎn)/ E#;C2），橫向彈性模量并聯(lián)模型的橫同

21、抑性模量與寤聯(lián)模聚的縱向界性模星相何.也、泊松比的確定四 吁E?、面內(nèi)第愣摸鼠的附定C組合模型的彈性常數(shù).縱向彈性模量耳L正八，八 。）或E產(chǎn)內(nèi)5“ * -vJ橫向彈性模量e （fr, -E ）VjE =號式1許.4）,消松出崢=% +與口-。）14,正交織物復合材料的彈性常數(shù)雙向單房板的彈性常數(shù)可以按下式預測：式中升期表川向微的皿肉押忡惺和向出性修fL.“一號別蒞5縱i“打雄再牝情日嚴他含K-hiWUt恢隊舊繁融.逋常k-0 90D 95（3】之向和舊問泊松比C 4）葉門舊沖”I 陽111 Gir - r fJLJA lh。Stu，中*1幗的皿內(nèi)明”,幄 K稅W潴箝*啕扁做愉球維醉砒蜘涮央L

22、I&3/，附，/2的（料閡爐？。V；工 n2k a 0公戔衿接兔削繩枷&觸身山”4. ”?、f誣 小:0“ J1K二1事物.二/咨/ 申以3新的呢工、.f k44千友卜今=如*的T*”步磁J1y f 2、型%廠 zrsr，,“沈，何 f g五、復合材料連接設計1.連接方式：A膠接、B機械連接（包括螺接和挪接）A膠接形式（單搭接/雙搭接/斜面搭接/階梯形搭接）、C混合連接B機械連接（有無起作用：搭接。寸接；受力 形式：單剪/雙剪）其中每類有等厚度和變厚 度兩種102.膠接連接和機械連接的比較箱抬Hi尢爆孔引出小訃記內(nèi)槃中，木史摩壞堆.1、喊 步承依橫!H而兩雙rO 零附片目少，速像BM中的時，依

23、發(fā),迷報效 4Ai(3 NMH I t. P同科朋連接北電化半網(wǎng)融 R1陽51M牡#國此和聃噌柳總面.百揩元件上招投 坡九處/履.席時恒較好*門匕修i的永久也花較小,抗瑜英也能Mcl代精性俅受阡境M .熱.嗯隆介所、影響夫.存在一定老化向奧h(力 我接*質(zhì)分裁性大，倒離強度低，不IHM腔接連掂(5)施工附單.占用酬等阱套圃不需颼才招搞:的 黃陽牡蚱】)M產(chǎn)拆卸.裝囪，檢衣卻推修.樹伸11人輛，抗利向性能好，杵 h Ai(3)杭高飄即帆場變的能力大，受坤嘖患叫 較小,(4)長山般擄隔化產(chǎn)牛的殘余泣力人的救荷!(r缺乏白敕的出量隆網(wǎng)方法.可靠竹楚*皎遢孔加在腔程(N作n Z的(間處FLH 藝要求產(chǎn)

24、用,( 破2接件間配介公尤要求尸，般需加附加 理冏化投整小林較陽di眈捷后不可打河口)由于介材料的瞰性及杵向母性*層仆后J 孔使程雄打地被切斷刖| 了構(gòu)件新曲.弁 導，孔迪如迎A場分#中T尋線.蛾鹿打. 低”般只恍達到迷接耳板開九時極限漁用 的 2J% -WXiC，力了睥補度合板;FHL后強度卜肉的影響,可 處需局部加厚，仲師，fti貳本端加，則3峭固仆。朝舍材“葭蝌公產(chǎn)0電化； 腐蝕.敢需選用與源打怦電介材打電仿工組 小的小的例成的成網(wǎng)仍3機械連接形式的選擇原則：(1)搭接和單蓋板對接都會產(chǎn)生附加彎矩而造成接頭承載能力的減小和連接效率的降低， 一般連接設計宜采用雙剪連接形式，應盡量避免連接效

25、率較低的不對稱單剪連接。(2)用雙蓋板對接能夠避免附加彎矩，帶錐度的連接形式可以改善多釘連結(jié)載荷分配的不均勻性，消除邊緣螺釘?shù)倪^大載荷，提高連接的承載能力；(3)對于單剪連接形式，宜采用多排釘連接，排距應盡可能大些，使偏心加載引起的彎曲 應力降到最小。(4)碳纖維樹脂基復合材料的塑性很差，會造成多排緊固件連接載荷分配的嚴重均不允， 因此盡量采用不多于兩排緊固件的多釘連結(jié)形式，釘孔布置應盡可能平行排列。(5)設計合理的斜削型連接可以改善多釘連接載荷分配的不均勻性，提高連接的承載能力,設計的關鍵是斜削搭接板厚度和緊固件直徑的選擇。六、復合材料結(jié)構(gòu)設計基礎1.復合材料產(chǎn)品設計：a性能設計(功能設計)

26、b結(jié)構(gòu)設計：包括剛度、強度、穩(wěn)定性計算 c工藝設計復合材料結(jié)構(gòu)設計比金屬結(jié)構(gòu)更加強調(diào)材料性 能、結(jié)構(gòu)設計與分析、制造工藝三個主要方面的 綜合協(xié)調(diào)在產(chǎn)品設計時必須進行材料分析(選用幾種組 分材料復合制成具有所要求性能的材料的過程)， 并選擇合適的工藝方法， 材料/工藝/設計三者必須 形成一個有機整體。WQ% 事 ft#：.zL曜“K t_或訃*泡續(xù)伴mUH11.復合材料成型工藝比較與選擇要強調(diào)設計與制造工藝的一體化，提高結(jié)構(gòu)整體化.蒙皮、梁、墻、衍條等結(jié)構(gòu)元素的的連接在材料形成的同時，采用共固化、共膠接、縫合和預成形織物等工藝實現(xiàn)。考慮產(chǎn)品外形構(gòu)造及尺寸特點。產(chǎn)品尺寸精度和外觀質(zhì)量嚴格要求的大批

27、量、中小型產(chǎn)品，應選用模壓成型；小批量大型產(chǎn)品，采用手糊成型；貯罐、壓力容器、管道、飛機整體機身 段等具有回轉(zhuǎn)截面形狀產(chǎn)品采用纖維纏繞成型；幾何形狀規(guī)則，大小尺寸不變用拉擠成型。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受力情況：單向受力桿件和梁采用拉擠成型；板殼構(gòu)件采用連續(xù)纖維纏繞或手糊 成型；對載荷情況不是很清楚或承受隨機載荷的產(chǎn)品用短切纖維模壓或噴射成型工藝。采用高效的自動化成型技術，既可以降低成本，又能增加產(chǎn)出。飛機蒙皮、機翼壁板及尾翼壁板采用纖維自動鋪放機進行復合材料預浸料鋪層，機翼及機身長琦與蒙皮之間均采用共膠接工藝；壁板類構(gòu)件目前采用成熟的熱壓罐固化成型工藝。滿足材料性能和產(chǎn)品性能要求產(chǎn)品批量大小，供貨時間長短工藝設備條件、流動資金及技術水平經(jīng)濟效益，選擇成本-效率最好的成型工