復(fù)合材料的強(qiáng)度分析

復(fù)合材料強(qiáng)度分析之有限元分析有限元材料數(shù)據(jù)庫(kù)的建立飛機(jī)有限元編號(hào)系統(tǒng)復(fù)合材料的強(qiáng)度分析---有限元分析方法

復(fù)合材料初步認(rèn)識(shí)什么是復(fù)合材料復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)階段我們復(fù)合材料應(yīng)用的研究狀態(tài)我們?cè)趺礃討?yīng)對(duì)復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)復(fù)合材料的有限元分析初步（核心內(nèi)容）什么是復(fù)合材料復(fù)合材料定義復(fù)合材料組成部分復(fù)合材料分類航空上一般都用什么復(fù)合材料什么是復(fù)合材料復(fù)合材料的定義是由兩種或者兩種以上的不同性質(zhì)的材料用物理和化學(xué)方法在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料復(fù)合材料的組成部分復(fù)合材料由基體和增強(qiáng)材料兩種組分組成基體一般由樹脂，金屬，非金屬材料充當(dāng)國(guó)內(nèi)的：３２１８中溫固化環(huán)氧樹脂國(guó)外的：９３４環(huán)氧樹脂雙馬來(lái)酰亞胺樹脂等增強(qiáng)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(fù)合材料分類一般按照復(fù)合材料中增強(qiáng)材料幾何形狀可分為三類顆粒復(fù)合材料，由顆粒增強(qiáng)材料和基體組成鋼筋混泥土材料纖維增強(qiáng)復(fù)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(fù)合材料（包括混雜復(fù)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(fù)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(lǐng)域用一般復(fù)合材料根據(jù)以往飛機(jī)和新研發(fā)出來(lái)的飛機(jī)復(fù)合材料看（這里只列舉通用飛機(jī)）纖維復(fù)合材料（玻璃纖維，碳纖維，芳綸纖維）混雜復(fù)合材料（ＧＬＡＲＥ，ＡＲＡＬＬ）復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)在復(fù)合材料在民用航空上的發(fā)展趨勢(shì)明朗起來(lái)應(yīng)該可以斷言復(fù)合材料是未來(lái)飛機(jī)材料的主流特別是復(fù)合材料在Ｂ７８７上的成功應(yīng)用以及空客對(duì)Ｂ７８７的成功的反映很好的說(shuō)明了復(fù)合材料在飛機(jī)設(shè)計(jì)師心目中的地位復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用C現(xiàn)階段我們復(fù)合材料應(yīng)用開(kāi)發(fā)狀態(tài)由于我們才成立研發(fā)機(jī)構(gòu)還沒(méi)有這方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)由于復(fù)合材料在航空上的應(yīng)用歷史還不長(zhǎng)，投入相對(duì)較大，各公司的技術(shù)封鎖，我們現(xiàn)在對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用設(shè)計(jì)可以說(shuō)是零水平階段．為了應(yīng)對(duì)復(fù)合材料的發(fā)展態(tài)勢(shì)，現(xiàn)在我們已經(jīng)成立專門的復(fù)合材料小組進(jìn)行該項(xiàng)技術(shù)的攻關(guān)．但是復(fù)合材料的強(qiáng)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(qiáng)度組花大力氣致力于復(fù)合材料在航空應(yīng)用方面的強(qiáng)度分析探索．應(yīng)對(duì)復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)面對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)材料在傳統(tǒng)金屬材料上的顯著變化和現(xiàn)今我們的復(fù)合材料應(yīng)用研究水平以既復(fù)合材料開(kāi)發(fā)態(tài)勢(shì)，我們應(yīng)該怎么樣在我們這樣的技術(shù)資源環(huán)境下進(jìn)行復(fù)合材料的利用研究呢？我們強(qiáng)度人員又應(yīng)該干什么呢？我們的困境：我們大部分人沒(méi)有涉及到復(fù)合材料的學(xué)習(xí)和強(qiáng)度分析，更沒(méi)有復(fù)合材料設(shè)計(jì)與分析上的經(jīng)驗(yàn)．我們現(xiàn)在也缺乏有經(jīng)驗(yàn)的專家來(lái)給我們手把手的指導(dǎo)．而起復(fù)合材料的應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)的工程，是設(shè)計(jì)，分析，制造聯(lián)系相當(dāng)緊密的一種材料，這增加了復(fù)合材料應(yīng)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(xiàng)目的繼續(xù)深入發(fā)展，要求我們盡快成長(zhǎng)為一個(gè)能參與飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的人才．應(yīng)對(duì)復(fù)合材料發(fā)展趨勢(shì)我們應(yīng)該怎么做呢？首先，我們必須從基礎(chǔ)入手，學(xué)習(xí)傳統(tǒng)靜強(qiáng)度分析的所有方法,＜復(fù)合材料力學(xué)＞，＜復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)＞，＜復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)手冊(cè)＞，適航法規(guī)關(guān)于復(fù)合材料應(yīng)用的相關(guān)規(guī)定，深入的了解復(fù)合材料這個(gè)體系的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，甚至有必要達(dá)到精通．其次，不斷開(kāi)展調(diào)研，借鑒其他研究機(jī)構(gòu)現(xiàn)有研究成果，盡快的對(duì)復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用有總體的，生動(dòng)的把握．然后是，相關(guān)復(fù)合材料的制造工藝體系的了解和熟悉，因?yàn)閺?fù)合材料的制造工藝在很大的程度上影響復(fù)合材料的力學(xué)性能．然后是正式的參與項(xiàng)目，在項(xiàng)目中不斷的學(xué)習(xí)和提高，成為一個(gè)合格的，優(yōu)秀的復(fù)合材料飛機(jī)設(shè)計(jì)員以及強(qiáng)度分析人員．最后當(dāng)然是灌注大量的精力在復(fù)合材料的應(yīng)用研究和分析上，來(lái)完成上述列舉的工作．

復(fù)合材料有限元分析初步與復(fù)合材料分析相關(guān)的力學(xué)知識(shí)和有限分析方法復(fù)合材料有限元分析初步復(fù)合材料力學(xué)的基本知識(shí)單層復(fù)合材料的宏觀力學(xué)分析復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則層合板的宏觀力學(xué)分析復(fù)合材料有限元分析一般復(fù)合材料的有限元分析層合板的有限元分析復(fù)合材料力學(xué)研究什么呢復(fù)合材料是研究復(fù)合材料力學(xué)行為的學(xué)科復(fù)合材料具有優(yōu)秀的力學(xué)性能，這些性能在現(xiàn)在的航空航天和汽車制造領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值.有哪些優(yōu)秀的品質(zhì)呢？比強(qiáng)度（強(qiáng)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(shè)計(jì)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(méi)有耦合現(xiàn)象單層復(fù)合材料的宏觀力學(xué)分析各向異性的、全不對(duì)稱材料——21個(gè)常數(shù)單層復(fù)合材料的宏觀力學(xué)分析正交平面應(yīng)力狀態(tài)下復(fù)合材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

１

２單層復(fù)合材料宏觀力學(xué)分析工程折減剛度矩陣單層復(fù)合材料宏觀力學(xué)分析正交材料的剛度參量平面應(yīng)力問(wèn)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(gè)獨(dú)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(dāng)1=，而其他應(yīng)力皆為零；21——-1/2，當(dāng)2=，而其他應(yīng)力皆為零；G12——在1-2平面內(nèi)的剪切模量單層復(fù)合材料宏觀力學(xué)分析應(yīng)力轉(zhuǎn)軸公式12xyθθxy12單層復(fù)合材料宏觀力學(xué)分析應(yīng)變轉(zhuǎn)軸公式單層復(fù)合材料宏觀力學(xué)分析任意方向的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則***各向同性材料最大正應(yīng)力理論最大線應(yīng)變理論最大剪應(yīng)力理論最大歪形能理論在航空領(lǐng)域一般取最大歪形能理論進(jìn)行強(qiáng)度的校核其中不等式右邊的量可以取為材料屈服應(yīng)力和材料的0.2水平應(yīng)力,并除以安全系數(shù)復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則***正交各向異性單層材料的強(qiáng)度概念對(duì)于各向異性材料,最大作用應(yīng)力不一定是材料的危險(xiǎn)狀態(tài),而與材料主方向?qū)?yīng)的最大主應(yīng)力才是控制材料設(shè)計(jì)的應(yīng)力材料有5個(gè)強(qiáng)度參量Xt—縱向拉伸強(qiáng)度Xc—縱向壓縮強(qiáng)度Yt—橫向拉伸強(qiáng)度Yc—橫向壓縮強(qiáng)度S—剪切強(qiáng)度復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則***

正交各向異性材料在材料的主方向上的拉伸和壓縮強(qiáng)度一般是不同的,但是在主方向上的剪切強(qiáng)度(不管正負(fù))都具有相同的最大值,但是非材料主方向上的剪切應(yīng)力依耐于正負(fù)121212yx復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則***最大應(yīng)力理論壓縮拉伸xy12θ復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則***最大應(yīng)變理論拉伸壓縮時(shí)復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則***最大應(yīng)變理論復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則***蔡-胡張量理論（Tsai-Wu)蔡-胡假定在應(yīng)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(qiáng)度張量在平面應(yīng)力狀態(tài)下：復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則***強(qiáng)度張量的某些分量可以用已經(jīng)討論過(guò)的工程強(qiáng)度來(lái)確定：對(duì)拉伸載荷：對(duì)壓縮載荷：同理：材料主方向上的剪切強(qiáng)度和剪應(yīng)力的符號(hào)無(wú)關(guān)，則有：復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則***對(duì)于四階強(qiáng)度張量Fij，基本上不能用材料主方向的任何單向試驗(yàn)來(lái)確定，必須采用雙向試驗(yàn)，因?yàn)樗?和2的系數(shù)。我們采用雙向拉伸試驗(yàn)：則有：代入已知量：如果：2F12=-F11:與霍夫曼準(zhǔn)則相同如果：拉壓強(qiáng)度相同，2F12=-1/X2，與蔡-希爾準(zhǔn)則相同層合板的宏觀力學(xué)分析層合板定義：是由兩層或多層簡(jiǎn)單層板粘合在一起作為一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)單元。各單層的材料主方向的布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)元件能承受幾個(gè)方向的載荷單層板是層合板或?qū)雍辖Y(jié)構(gòu)分層的基本單元，對(duì)它的宏觀力學(xué)研究是分析層合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)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(dāng)?shù)馗淖冞@些參數(shù)，人們就可以設(shè)計(jì)出最有效地承受特定外載的結(jié)構(gòu)元件，這是復(fù)合材料層合板突出的優(yōu)點(diǎn)之一。層合板的宏觀力學(xué)分析有不同物理性質(zhì)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(zhì)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(xué)性質(zhì)的不連續(xù)性對(duì)層合板的力學(xué)分析就變得更為復(fù)雜已知單層的性質(zhì)，主要關(guān)注沿厚度方向的應(yīng)力和應(yīng)變的變化層合板的宏觀力學(xué)分析第k層的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系層與層過(guò)渡和層與層的結(jié)合方式的考慮沿厚度方向的積分單層板的應(yīng)力-應(yīng)變性能層合板的宏觀力學(xué)分析單層平面應(yīng)力狀態(tài)假設(shè)：層合板中各單層都可近似地認(rèn)為處于平面應(yīng)力狀態(tài)z=0假設(shè)：在厚度方向上的正應(yīng)力于其它應(yīng)力相比很小，可忽略不計(jì)層合板的宏觀力學(xué)分析xz1234層合板應(yīng)變變化特征模型應(yīng)力變化因?qū)雍习逖睾穸确较蛭锢硇再|(zhì)不連續(xù)導(dǎo)致應(yīng)力的不連續(xù)層合板的宏觀力學(xué)分析12kNtt/2z層數(shù)zNzN-1zkZk-1z0z1z2按每一層層合板的宏觀力學(xué)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(duì)稱矩陣層合板的宏觀力學(xué)分析幾何和材料性能都對(duì)稱于中面的層合板剛度方程可以大大簡(jiǎn)化由于剛度特性和厚度的對(duì)稱性?？梢宰C明所有的耦合剛度都為零——沒(méi)有耦合對(duì)稱層合板通常比有耦合影響的層合板容易分析對(duì)稱層合板沒(méi)有因固化后冷卻時(shí)的熱收縮引起的扭曲傾向?qū)嶋H工程中通常采用復(fù)合材料有限元分析方法初步設(shè)計(jì)流程一次流程幾何參數(shù)確定預(yù)分析設(shè)置復(fù)合材料鋪層基于復(fù)合材料分析達(dá)到目標(biāo)樣品實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品應(yīng)力分布與大小一般是用金屬材料分析應(yīng)變分布與大小用復(fù)合材料分析看是否超過(guò)設(shè)計(jì)值根據(jù)分析數(shù)據(jù)確定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(xué)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(wèn)題簡(jiǎn)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(fù)合實(shí)際情況并整理之分析例子例1:復(fù)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(jì)算層合板的剛度ABD如果沒(méi)有層片破壞如果層片破壞計(jì)算和載荷系數(shù)有關(guān)的各層應(yīng)力在材料主方向上確定相對(duì)的各層應(yīng)力將相對(duì)的各層應(yīng)力和破壞準(zhǔn)則進(jìn)行比較計(jì)算一層破壞時(shí)的載荷用于給零的性能，從層合板中消去一層計(jì)算層和板的變形xyxy分析后采用TSAI-WU理論校核這樣計(jì)算量相當(dāng)大,但是在我們航空上不允許層合板在設(shè)計(jì)載荷下單層發(fā)生破壞,所以我們可以僅對(duì)每個(gè)單層進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算.習(xí)題1X21YΘ=45°把XY坐標(biāo)系下的應(yīng)力轉(zhuǎn)化到1,2坐標(biāo)系下寫出偏軸公式習(xí)題1查閱書籍,看還有什么復(fù)合材料的強(qiáng)度理論,并寫出其具體的用法區(qū)別復(fù)合材料的強(qiáng)度理論和各向同性金屬材料的強(qiáng)度理論習(xí)題2δ=0.2IN±0.009D=25L=100IN所有單位用IN習(xí)題21.載荷:P=20PSI2.分析材料:復(fù)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(fù)合材料手冊(cè)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(shí)需要附帶所選材料的書籍名稱和頁(yè)碼,以及材料性能參數(shù)5.強(qiáng)度計(jì)算:最后用失效準(zhǔn)則校對(duì)該結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料強(qiáng)度,給出強(qiáng)度余量6:強(qiáng)度計(jì)算后給出你所認(rèn)為正確的鋪層方式7: