复合材料结构设计基础

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1、复合材料结构设计基础材料科学与工程学院李顺林 王兴业 主编 刘锡礼 刘德安 主审武汉理工大学出版社复合材料结构设计基础主讲教师：葛曷一，任保胜课程先修 力学基础从材料力学基础出发，介绍复合材料 力学、复合材料结构力学和复合材料构件 设计的基本知识。具体：复合材料经典层 合板理论、刚度和强度的计算方法、复合 材料结构元件的分析和典型产品结构设计 的基本步骤和方法等内容。材料力学和弹性力学在娱乐至死节目中，美国学者尼尔波兹曼提到 了娱乐遵循的三原则：第一，你不能有前提条件，观众 在观看你的节目时，不需要具备其他知识；第二，你不 能给观众出难题，动脑筋的事儿别涉及；第三你应该像 躲避瘟神一样避开阐述

2、、争论、假设、讨论、说理、辩 驳或其他传统演说方法。 在复合材料结构设计基础讲授中，我们同样指 出学习必须遵循的三原则：第一，你一定有前提条件， 学生在听讲课时，必须需要具备其他知识；第二，你一 定给学生出难题，动脑筋的事儿特别多；第三你应该像 迎接丘比特一样喜爱阐述、假设、讨论、推理、计算或 其他方法。 1、绪论 1.1 复合材料(Composite Materials)定义、分类与命名(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

3、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)组成的多相体系。用 途结构复合材料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。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。组成基体材料(连续相)增强材料(分散相)粘结、保护 纤维，并传 递应力金属基复 合材料非金属基 复合材料复合材料高聚物基 复合材料陶瓷基复 合材料树脂基复 合材料橡胶基复 合材料热固性树脂 基复合材料热塑性树脂

4、基复合材料颗粒增强 复合材料纤维增强 复合材料复合材料连续纤维 复合材料不连续纤维 复合材料层合 结构 复合 材料缠绕 结构 复合 材料颗粒强化 复合材料弥散强化 复合材料多向 编织 复合 材料短切 纤维 复合 材料晶须 复合 材料颗粒直径范围150m，颗 粒体积含量2570%，增强颗 粒之间的距离一般大于1m。 颗粒的作用：由于颗粒本身的 刚硬阻止基体变形而起到增强 作用。颗粒直径范围0.010.1 m， 颗粒体积含量115。颗 粒的作用：阻止基体材料的 位错运动而起到增强作用。由无纬布或纤维 织物铺叠而成由纤维粗纱缠 绕或纤维织物 带按一定缠绕 规律卷绕而成由纤维在三维多 方向编织而成(1

5、) 强调基体 即强调了基体材料的 种类和特征(2) 强调增强体 即强调增强材 料的 种类和性质酚醛树脂基复合 材料、铝合金基 复合材料等碳纤维复合材料、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1.2 复合材料的发展简史与现状泥坯(稻草掺入泥中)、 弓(木材为芯，在受拉 面胶有平行的纤维)。十九世纪末期出现由纤维增强 橡胶制成的轮胎、橡胶布。20世纪40年代初，美国首先用玻璃 纤维增强塑料制造飞机雷达天线罩。之

6、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20世纪60年代末期开始的。复合材料创新聚丙烯腈基纤维发展 玻璃纤维结构调整 开发能源、交通用复合材料市场纤维复合材料基础设施应用 复合材料综合处理与再生 复 合 材 料 创 新包括复合材料的技术发展、复合材料的 工艺发展、复合材料的产品发展和复合 材料的应用，具体要抓住树脂基体发展 创新、增强材料发展创新、生产工艺发 展创新和产品应用发展创新。聚 丙 烯 腈 基 纤 维 发 展 我国碳纤维工业发展缓慢，与发 达国家比较存在很大差距。国内碳纤维发展过程中国PAN基

7、CF市场概况、特点大力发展聚丙烯腈基纤维既有需 要也有可能。 玻璃纤维结构调整 改进和发展纱类、机织物、无 纺毡、编织物、缝编织物、复 合毡，推进玻纤与玻钢两行业 密切合作，促进玻璃纤维增强 材料的新发展。 开发能源、交通用复合材料市场清洁、可再生能源用复合材料；汽车、城市轨道交通用复合材料；民航客机用复合材料；船艇用复合材料。纤维复合材料基础设施应用 国内外复合材料在桥梁、房屋、道路中 的基础应用广泛，与传统材料相比有很多优 点，特别是在桥梁上和在房屋补强、隧道工 程以及大型储仓修补和加固中市场广阔。 复合材料综合处理与再生 重点发展物理回收（粉碎回收）、化学回 收（热裂解）和能量回收，加强

8、技术路线、综 合处理技术研究，示范生产线建设，再生利用 研究，大力拓展再生利用材料在石膏中的应用 、在拉挤制品中的应用以及在SMC/BMC模压 制品中的应用和典型产品中的应用。 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。1.3.1比强度高、比模量高3 4 5 10 20 30 40 E/r(106cm)钢铝玻璃/ 环氧Al2O3晶须/NiAl2O3晶须/铝碳化硼/铝硼/环氧碳/环氧铍硼/钼硼/镍硼/铝/r(106cm)2 3 4 5 10几种常用 材料和纤 维增强复 合材料比 强度、比 模量的比 较(1)

9、 组分材料密度都较低； (2) 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。复合材料在飞机上使 用量已作为当代飞机 先进性的指标之一材料名称比强度比模量钢钢0.130.27铝铝0.170.26玻纤纤/聚酯酯CM0.530.21碳纤纤/环环氧CM1.030.211.3.2 复合材料结构设计的特点(1) 复合材料既是一种材料又是一种结构(2) 复合材料具有可设计性(3) 复合材料结构设计包含材料设计单层的种类 (a)无纬单层 (b)经纬交织单层层合结构复合材料由纤维与基体所组成的单 层以不同方向层合而成实际工程中，绝大多数复合材料及其结构件是一次完成的 。层合板是

10、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。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 合板设计与结构设计。本课程讲授内容：可设计性好 复合材料区别于传统材料的根本特点之一设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要 求，对结构设计的同时对材料本身进行设计。 具体体现在两个方面力学设计给制品一定的强度 和刚度功能设计给制品除力学性能 外的其他性能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

11、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。1.3.3 复合材料力学性能的特点(1) 各向异性性能(2) 非均质性(3)层间强度低材料弹性主方向：模量较大的一个主方向称为纵 向，用字母L表示，与其垂直的另一主方向称为横向 ，用字母T表示。(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。耦合变形的示例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)、

12、面内剪切弹性模量GLT。耦合现象：拉剪耦合与剪拉耦合、弯扭耦合与扭弯耦合(2) 非均质性(3) 层间强度低层合结构复合材料在一种外力作 用下，除了引起本身的基本变形 外，还可能引起其他基本变形。耦合变形：在结构设计时，应尽量 减小层间应力，或采取 某些构造措施，以避免 层间分层破坏。1.3.4 几个基本假设 研究复合材料的刚度和强度时，基本假设：(1) 假设层合板是连续的。由于连续性假设，使数学分 析中的一些连续性概念、极限概念以及微积分等数学工具 都能应用于力学分析中。(2）假设单向层合板是均匀的，多向层合板是分段均 匀的。(3) 假设限于单向层合板是正交各向异性的：即认为单 向层合板具有两个相互垂直的弹性对称面。(4) 假设限于层合板是线弹性的：即认为层合板在外力作用 下产生的变形与外力成正比关系，且当外力移去后，层合板能 够完全恢复其原来形状。(5) 假设层合板的变形是很小的。上述五个基本假设，只有多向层合板的分段均匀 性假设和单向层合板的正交各向异性假设，与材 料力学中的均匀性假设和各向同性假设有区别。1.3.5平面应力状态与平面应变状态n平面应力状态：单元体有一对平面上的应力等于0。 （z0， zx 0， zy 0 ）n平面应变状态（平面位移）：z0（即0）， zx 0(310)， zy 0(320 )， z一般不等于0。