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1、济南大学讲稿200 72008学年第一学期学 院 材料科学与工程学院教 研 室 复合材料教研室课程名称 复合材料结构设计基础课程编号 011103 课程类型 专业课 授课班级 复材04010403班 任课教师 曹笃霞 葛曷一 济南大学教务处制1 绪论授课时间：1-14周 周二3-4节和双周周四3-4节教室：10J209上课班级：复材041-043复合材料结构设计基础这门课程选用的主要教材是由李顺林 王兴业 主编, 武汉理工大学出版社出版的复合材料结构设计基础。参考书目有（1）刘雄亚、晏石林主编，复合材料制品设计及应用， 化学工业出版社；（2）顾宜主编，材料科学与工程基础，化学工业出版社；（3）
2、李顺林主编，复合材料力学引论，上海交通大学出版社出版；（4）王兴业主编，复合材料力学性能，国防科技大学出版社出版；（5）刘锡礼主编，复合材料力学基础，中国建筑工业出版社；（6）李顺林主编，复合材料工作手册，航空工业出版社出版。首先简单介绍一下我们这门课的特点及主要讲授内容。本课程是全国高校复合材料专业教材编审委员会审查通过的复合材料专业6门专业课程之一，是遵照编审委员会核准的教学大纲编写的。课程主要讲授复合材料中有关结构设计的基本知识，涉及到复合材料单层的刚度与强度、层合板的刚度与强度、结构分析、连接及典型产品设计。学习本课程后，使学生能够掌握复合材料力学的概念、力学性能和结构设计方面的特点，
3、开拓复合材料结构的分析与设计。这门课程先修力学基础是材料力学和弹性力学。这次课的主要讲授内容是第一章绪论部分，分为三个小节：1.1复合材料的发展简史与现状；1.2复合材料的分类；1.3 复合材料及其结构设计的特点。内容提要1绪论复合材料的定义有很多种，主要有以下3种。(1) 由两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料，且各组分材料之间具有明显的界面。(2) 两种或两种以上不同化学性质或不同组织相的物体以微观形式或宏观形式组合而成的材料。(3) 有连续相的基体(如聚合物树脂、金属、陶瓷等)与分散相的增强体材料(如各种纤维、织物及粉末填料等)组成的多相体
4、系。复合材料的命名。(1) 强调基体，即强调了基体材料的种类和特征，如酚醛树脂基复合材料、铝合金基复合材料等。(2) 强调增强体，即强调增强材料的种类和性质，如碳纤维复合材料、金属纤维复合材料、玻璃纤维复合材料等。(3) 基体与增强体并用，即同时出现基体材料和增强体材料，如碳纤维增强环氧树脂复合材料、玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料等。(4) 俗称，玻璃钢就是玻璃纤维增强树脂基复合材料的俗称。1.1 复合材料力学的发展简史与现状使用复合材料由来已久，自然界中就存在着大量的复合材料，如竹子、木材、动物的肌肉和骨骼等。从力学观点来看，天然复合材料结构往往是很理想的结构，为发展人工纤维增强复合材料
5、提供了仿生学依据。据资料记载，早在古代人们就已知道把稻草掺入泥中做成的泥坯还可增加强度；用多层粘合的木板代替单一木板不但可提高强度，而且还能减小由于受热、吸湿引起的变形。古代的弓是以木材为芯，在受拉面胶有平行的纤维，受压面胶上牛角复合而成的，它的性能优于其中任何一种单一材料做成的弓。脱胎漆器是在木骨和泥塑制成的底胎上逐层铺覆麻布并涂抹生漆，待漆干固后，挖去底胎，得到与底胎形状相同的漆器。在脱胎漆器中，生漆是基体材料，麻布是增强材料。近代复合材料可从十九世纪末期出现由纤维增强橡胶制成的轮胎、橡胶布算起，后来又出现了混凝土和钢筋混凝土结构。现代复合材料始于本世纪40年代初，美国首先用玻璃纤维增强塑
6、料制造飞机雷达天线罩。之后，玻纤增强塑料（我国俗称玻璃钢）广泛用于航空、造船、汽车、化工、电器等国防和国民经济各部门。我国先进复合材料的应用和研究是从60年代末期开始的。进入20世纪60年代后，复合材料力学发展的步伐加快了。1964年罗森提出了确定单向纤维增强复合材料纵向压缩强度的方法。1966年惠特尼和赖利提出了确定复合材料弹性常数的独立模型法。1968年，经蔡为仑和希尔的多年研究形成了蔡-希尔破坏准则；1971年出现了张量形式的蔡-吴破坏准则；1970年琼斯研究了一般的多向层板，并得到简单的精确解；1972年惠特尼用双重傅里叶级数，求解了扭转耦合刚度对各向异性层板的挠度、屈曲载荷和振动的影
7、响问题，用这种方法求解的位移既满足自然边界条件，又能很快收敛到精确解；1972年夏米斯、汉森和塞拉菲尼研究了复合材料的抗冲击性能。蔡为仑在单向层板非线性变形性能的分析方面，亚当斯在非弹性问题的细观力学理论方面，索哈佩里在复合材料粘弹性应力分析等都做了开创性的研究工作。 1.2 复合材料的分类复合材料根据不同标准有不同的分类，根据用途分为结构复合材料和功能复合材料，结构复合材料以其力学性能如强度、刚度、形变等特性为工程所应用，主要用于结构承力或维持结构外形。功能复合材料以其声、光、电、热、磁等物理特性为工程所应用，用于如绝热、透波、耐腐蚀、耐磨、减振或热变形等热、声、光、电、磁的功能要求。复合材
8、料主要由基体材料和增强材料组成。按照基体材料的性质分类，复合材料可分为金属基复合材料与非金属基复合材料。金属基复合材料目前以铝基为多。非金属基复合材料又分为高聚物基复合材料和陶瓷基复合材料，高聚物基复合材料包括树脂基和橡胶基复合材料，而陶瓷基复合材料包括碳及碳化物基和非碳基复合材料。对聚合物基复合材料，用作基体的热固性树脂有环氧树脂、聚酯树脂、乙烯基树脂、聚酰亚胺等；热塑性树脂如聚丙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚醚砜、聚醚醚酮等；酚醛树脂有热固性与热塑性两种。非碳基复合材料如石英基复合材料、混凝土基复合材料等。基体材料的作用主要是粘结、保护纤维，并传递应力。按照增强材料的形状分类，复合材料可分为颗粒增
9、强复合材料与纤维增强复合材料。颗粒增强复合材料包括颗粒强化与弥散强化两类复合材料。颗粒强化复合材料的颗粒直径范围为150m，颗粒体积含量为25%70%，增强颗粒之间的距离一般大于1m。颗粒的作用是，由于颗粒本身的刚硬阻止基体变形而起到增强作用。弥散强化复合材料的颗粒直径范围为0.010.1m，颗粒体积含量为1%15%。这样数量级的颗粒的作用是阻止基体材料的位错运动而起到增强作用。纤维增强复合材料有连续纤维增强复合材料和不连续纤维增强复合材料。在复合材料中，增强纤维的长度相对于复合材料的总体尺度而言，同一量级的为长纤维，小于这一量级的为短纤维。具有长纤维的复合材料称为连续纤维增强复合材料，具有短
10、纤维的复合材料称为不连续纤维增强复合材料。不连续纤维增强复合材料又有晶须增强和短纤维增强两种。晶须增强复合材料中的晶须，其直径相当于晶体大小，长度是直径的数百倍，且呈须状。连续纤维增强复合材料般均制成层合结构、缠绕结构或多向编织结构。层合结构复合材料是由无纬布或纤维织物铺叠而成。缠绕结构复合材料是由纤维粗纱缠绕或纤维织物带按一定的缠绕规律卷绕而成。三维多向编织复合材料是一种新型结构的复合树料，它是由纤维在三维多方向编织而成的连续纤维增强复合材料，可以克服前两种复合材料层间强度低的缺点。复合材料中的纤维由于比块状材料的内部缺陷要少得多，所以纤维具有较高的强度，而成为主要承载材料，由此起到了增强基
11、体的作用。1.3复合材料及其结构设计的特点纤维增强塑料是由高强度、脆性、低密度的纤维材料与低强度、低模量、低密度、韧性较好的树脂基体所组成。具有较高的比强度和比模量。几种常用材料和纤维增强复合材料比强度、比模量的比较发现，复合材料除了玻璃纤维增强塑料的比模量较低外，其他的比强度、比模量一般都比较高。纤维增强塑料之所以具有相当高的比强度，一是由于组成这种复合材料的组分材料密度都较低；二是 由于纤维具有很小的直径，其内部缺陷要比块状形式的材料少得多，所以强度较高。复合材料结构设计具有三大特点：(1) 复合材料既是一种材料又是一种结构。复合材料就其本质来说是一个结构物。因为纤维增强塑料是由纤维和树脂
12、两种组分材料复合而成的，两者之间有明显的界面，所以，实际上是一种结构。层合板是由纤维与基体所组成的单层以不同方向层合而成的层合结构复合材料，所以它是一种层合结构形式。如果所有单层都处于同一方向，则称为单向层合板，如果单层按不同方向构成层合板，则称为多向层合板。通常的层合板是由无纬单层或经纬交织单层构成。由无纬单层构成的单向层合板通常称为单向复合材料。实际工程中，绝大多数复合材料及其结构件是一次完成的。层合板是复合材料结构件的基本单元而单层又是层合板的基本单元。本课程讲授内容：首先分析单层的刚度与强度，然后分析层合板的刚度与强度再分析复合材料结构件的刚度与强度。在此基础上，讨论单层设计、层合板设
13、计与结构设计。(2) 复合材料具有可设计性。复合材料的组分材料和铺层方向可按照设计要求进行选择。选择不同的基体材料与增强材料以及它们的含量比，不同的铺层方向与构成形式，可以构成不同性能的复合材料。组分材料有其自己的固有特性，而且组分材料之间要彼此相容(包括物理、化学、力学等方面)，使其真正复合成一个整体，成为一种新材料。因此，复合材料不仅给设计人员提供了一种比强度、比模量高的材料，而且给设计人员提供了一种由设计人员在一定范围内可随意设计的材料。 (3) 复合材料结构设计包含材料设计。常规的结构设计中，材料是直接选择的，即在材料部门提供的有确定性能数据的各种材料中选择结构中所用的材料牌号与规格。
14、而在复合材料的结构设计中，材料是由结构设计者根据设计条件(如性能要求、载荷情况、环境条件等)自行设计的。正如前述，复合材料结构往往是材料与结构一次形成的，且材料也具有可设计性。因此，复合材料结构设计是包含材料设计在内的一种新的结构设汁，它比常规的金属材料结构设计要复杂。但是在复合材料结构设计时，可以从材料与结构两方面考虑，以满足各种设计要求尤其是复合材料的可设计性，可使复合材料结构达到更为完满的目的。复合材料力学性能的特点：(1) 各向异性性能。通常的各向同性材料中，表达材料弹性性能独立的工程弹性常数有两个：E(弹性模量)和(泊松比)或剪切弹性模量G。E(弹性模量)是由拉伸试验确定的一种材料特
15、性，物体变形难易程度的表征。定义：“在弹性范围内材料的应力与对应的应变的比率，可以表示成单位面积的力，用N/m2或MPa表示。(泊松比)是横向应变与纵向应变之比值，也叫横向变性系数，反映材料横向变形。剪切弹性模量G是材料在比例极限以内剪切应力与剪切应变之比。对于复合材料中的每个单层，表达材料弹性性能的独立的工程弹性常数有四个：纵向弹性模量EL、横向弹性模量ET、纵向泊松比 L (或横向泊松比T)、面内剪切弹性模量GLT。面内剪切弹性模量GLT是剪切应力沿着纤维和垂直于纤维方向作用时测得的面内剪切弹性模量。除此以外，当加载方向与材料弹性主方向不一致时，拉伸应力会引起剪切变形，剪应力会引起拉伸变形
16、，这种现象分别称为拉剪耦合和剪拉耦合。另外，弯曲力矩会引起扭转变形，扭转力矩会引起弯曲变形，这种现象分别称为弯扭耦合与扭弯耦合。这都是各向同性材料所没有的耦合现象。在通常的各向同性材料中，表达材料性能的强度指标只有一个。如果是塑性材料，一般用屈服极限s(或条件屈服极限0.2)；如果是脆性材料，一般用强度极限b。对于上述复合材料中的每个单层，通常有五个强度指标，称为基本强度。即纵向拉伸强度Xt、纵向压缩强度Xc、横向拉伸强度Yt、横向压缩强度Yc、面内剪切强度S。由于复合材料强度指标的增加，使判断各种受力状态下强度的理论也较各向同性材料复杂。屈服强度的定义是当应力超过弹性极限后，变形增加较快，除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到B点后，塑性应变急剧
