復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課件

第6章復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)§6.1概述§6.2材料設(shè)計(jì)§6.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)件設(shè)計(jì)、連接設(shè)計(jì)等)的反復(fù)過(guò)程。在綜合過(guò)程中必須考慮的一些主要因素有：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、工裝模具的通用性及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的綜合過(guò)程如圖所示，大致分為三個(gè)步驟：6.1.1復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程3/30/202326.1.1復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程明確設(shè)計(jì)條件材料設(shè)計(jì)1234結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)變及失效分析3/30/20233B載荷情況靜載荷：緩慢地由零增加到某一定數(shù)值以后就保持不變或變動(dòng)得不顯著的載荷。動(dòng)載荷：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。6.1.2設(shè)計(jì)條件3/30/20235C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、日光燈等大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風(fēng)沙等6.1.2設(shè)計(jì)條件3/30/202366.1.2設(shè)計(jì)條件D結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性結(jié)構(gòu)的可靠性：指結(jié)構(gòu)在所規(guī)定的使用壽命內(nèi)，在給予的載荷情況和環(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。這種能力用一種概率來(lái)度量稱為結(jié)構(gòu)的可靠度。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性最終表現(xiàn)在可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩方面。一般來(lái)說(shuō)，要提高可靠性就得增加初期成本，而維修成本是隨可靠性增加而降低的，所以總成本最低時(shí)(即經(jīng)濟(jì)性最好)可靠性最為合理。3/30/20237B纖維選擇首先確定纖維的類別，其次確定纖維的品種規(guī)格6.2.1原材料的選擇與復(fù)合材料性能E或S玻璃纖維、凱夫拉纖維、氧化鋁纖維等良好的透波、吸波性能高模量碳纖維、硼纖維高剛度玻璃纖維、凱夫拉纖維高抗沖擊性3/30/20239B纖維選擇首先確定纖維的類別，其次確定纖維的品種規(guī)格6.2.1原材料的選擇與復(fù)合材料性能低溫不脆化的碳纖維低溫工作性能凱夫拉纖維或碳纖維(熱膨脹系數(shù)可為負(fù)值)尺寸對(duì)溫度不敏感碳纖維或硼纖維(比強(qiáng)度和比剛度)高強(qiáng)度、高剛度3/30/2023106.2.1原材料的選擇與復(fù)合材料性能C樹(shù)脂選擇主要有熱固性和熱塑性樹(shù)脂可供選擇要求基體材料能在使用溫度范圍內(nèi)正常工作要求基體材料具有一定的力學(xué)性能要求基體材料的斷裂伸長(zhǎng)率大于或接近纖維的斷裂伸長(zhǎng)率要求基體材料具有滿足使用要求的物理、化學(xué)性能要求具有一定的工藝性3/30/202311A單層樹(shù)脂含量的選擇一般根據(jù)單層的承力性質(zhì)或單層的使用功能選取6.2.2單層性能的確定3/30/202313體積含量與質(zhì)量含量之間的關(guān)系為：6.2.2單層性能的確定(6-1)分別為纖維、樹(shù)脂的質(zhì)量百分比；分別為纖維、樹(shù)脂的密度。式中：另外，在最終設(shè)計(jì)階段，一般為了單層性能參數(shù)的真實(shí)可靠，使設(shè)計(jì)更為合理，單層性能的確定需用試驗(yàn)的方法。可依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3352-88和GB3355-88來(lái)執(zhí)行。3/30/2023146.2.2單層性能的確定式(6-2)可改寫為下面形式：(6-3)式中：(6-4)分別為單層的纖維體積含量和基體體積含量。②纖維和基體有相同的線應(yīng)變，且都等于單元的縱向線應(yīng)變，于是有：(6-5)3/30/2023156.2.2單層性能的確定確定E2代表性體積單元的作用應(yīng)力為σ2，纖維和基體的彈性模量分別為Ef和Em，求橫向彈性模量E2。從宏觀角度看：(6-10)從細(xì)觀角度看：(6-11)3/30/202317B剛度的預(yù)測(cè)公式選擇代表性體積單元如右圖所示6.2.2單層性能的確定確定①代表性體積單元的作用應(yīng)力為，纖維和基體的彈性模量分別為和，求縱向彈性模量。(6-2)分別為代表性體積單元的，纖維的和基體的橫截面面積。式中：3/30/2023186.2.2單層性能的確定所以：(6-12)各部分同樣滿足胡克定律：(6-13)即可得：(6-14)或改寫為：(6-15)3/30/2023196.2.2單向?qū)拥墓こ虖椥猿?shù)預(yù)測(cè)公式3/30/2023216.2.2單層性能的確定(6-17a)(6-18a)3/30/2023226.2.2單層性能的確定C強(qiáng)度的預(yù)測(cè)公式縱向拉伸強(qiáng)度：(6-19)(6-20)式中為纖維的最大拉伸應(yīng)力；為基體應(yīng)變等于纖維最大拉伸應(yīng)變式的基體應(yīng)變；

為基體的最大拉伸應(yīng)力；Vf為纖維的體積含量；為強(qiáng)度由纖維控制的最小纖維體積含量。3/30/202323A層合板設(shè)計(jì)的一般原則鋪層定向原則均衡對(duì)稱鋪設(shè)原則鋪層取向按承載選取原則鋪層最小比例原則鋪設(shè)順序原則沖擊載荷區(qū)設(shè)計(jì)原則防邊緣分層破壞原則抗局部屈曲設(shè)計(jì)原則連接區(qū)設(shè)計(jì)原則變厚度設(shè)計(jì)原則6.2.3復(fù)合材料層合板設(shè)計(jì)3/30/2023256.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則使用載荷是指正常使用中可能出現(xiàn)的最大載荷，在該載荷下結(jié)構(gòu)不應(yīng)產(chǎn)生殘余變形。設(shè)計(jì)載荷是指設(shè)計(jì)中用來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的載荷，在這種載荷下材料剛開(kāi)始或接近破壞。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。3/30/202326工藝性包括構(gòu)件的制造工藝性和裝配工藝性。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)方案的選取和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)對(duì)工藝性的好壞也有重要影響。主要應(yīng)考慮的工藝性要求如下：構(gòu)件的拐角應(yīng)具有較大的圓角半徑，避免在拐角處出現(xiàn)纖維斷裂、富樹(shù)脂、架橋等缺陷；對(duì)于外形復(fù)雜的復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮制造工藝上的難易程度，可采用合理的分離面分成兩個(gè)或兩個(gè)以上構(gòu)件；對(duì)于曲率較大的曲面應(yīng)采用織物鋪層；對(duì)于外形突變處應(yīng)采用光滑過(guò)度；對(duì)于壁厚變化應(yīng)避免突變，可采用階梯型變化；結(jié)構(gòu)件的兩面角應(yīng)設(shè)計(jì)成直角或鈍角······6.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的工藝性要求3/30/202329A許用值的確定許用值是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素之一，是判斷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基準(zhǔn)。因此正確地確定許用值是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算的重要任務(wù)之一。安全系數(shù)也是一項(xiàng)非常重要的工作。(1)拉伸時(shí)許用值的確定方法取下述三種情況得到的最小值①開(kāi)孔試樣在環(huán)境條件下進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其斷裂應(yīng)變，并除以安全系數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出使用許用值。②非缺口試樣在環(huán)境條件下進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，測(cè)定其集體不出現(xiàn)明顯微裂紋所能達(dá)到的最大應(yīng)變值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到使用許用值。6.3.3許用值與安全系數(shù)的確定3/30/202330③開(kāi)孔試樣在環(huán)境條件下進(jìn)行拉伸兩倍疲勞壽命試驗(yàn)，測(cè)定其所能達(dá)到的最大應(yīng)變值，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到使用許用值。(2)壓縮時(shí)許用值的確定方法取三種情況得到的最小值(3)剪切時(shí)許用值的確定方法取兩種情況得到的較小值6.3.3許用值與安全系數(shù)的確定3/30/202331B安全系數(shù)的確定在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了確保結(jié)構(gòu)安全工作，又考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，要求質(zhì)量輕、成本低，因此，在保證安全的條件下，應(yīng)盡可能降低安全系數(shù)。安全系數(shù)的選擇應(yīng)主要考慮以下因素：1載荷的穩(wěn)定性2材料性質(zhì)的均勻性和分散性3理論計(jì)算公式的近似性4構(gòu)件的重要性與危險(xiǎn)程度5加工工藝的準(zhǔn)確性6無(wú)損檢測(cè)的局限性7使用環(huán)境條件6.3.3許用值與安全系數(shù)的確定3/30/202332典型結(jié)構(gòu)件主要指一維的桿、二維的板、三維的殼。這些典型結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)主要根據(jù)其受力情況而定承拉桿件圓棒狀桿：纖維沿載荷方向（軸向）鋪設(shè)平板狀拉桿：以纖維方向?yàn)榈膯螌訛橹鳎?/p>

的單層為輔（約占6%~10%）承壓桿件短粗桿件：因強(qiáng)度不夠而被破壞，因此按