复合材料的结构设计
复合材料的力学性能与结构设计
复合材料的力学性能与结构设计复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的材料，具有优异的力学性能和结构设计潜力。
在本文中，将探讨复合材料的力学性能以及如何进行结构设计。
一、复合材料的力学性能复合材料由于多种材料的组合，具有独特的力学性能。
以下将讨论复合材料在强度、刚度和韧性方面的性能。
1. 强度由于不同材料之间的协同作用，复合材料通常具有很高的强度。
这是由于各个组成材料的优点相互弥补，从而提高整体强度。
例如，纤维增强复合材料中的纤维可以提供很高的强度，而基体材料可以增加韧性。
2. 刚度复合材料具有很高的刚度，这是由于组成材料之间的相互作用。
纤维增强复合材料中的纤维可以提供很高的刚度，而基体材料可以提供弹性和柔韧性。
因此，复合材料在受力时可以保持其形状和结构的稳定性。
3. 韧性复合材料通常具有较高的韧性，这是由于材料的组合结构所致。
纤维增强复合材料中的纤维可以分散和吸收能量，从而提高材料的韧性。
相反，在单一材料中，这种能量分散效应很少出现。
二、复合材料的结构设计复合材料的结构设计是为了实现所需的力学性能和功能。
以下将介绍复合材料结构设计的关键因素。
1. 材料选择合理的材料选择是进行复合材料结构设计的关键因素。
不同材料具有不同的力学性能和化学特性，因此需要根据应用需求选择合适的材料组合。
例如，在需要高强度和刚度的应用中，可以选择纤维增强复合材料。
2. 界面控制复合材料中不同材料之间的界面是其力学性能的重要因素。
界面的控制可以通过界面处理和表面改性来实现。
例如，通过添加粘合剂或增加表面处理剂，可以增强纤维与基体之间的结合，提高界面的力学性能。
3. 结构设计结构设计是为了实现所需的功能和性能。
在复合材料结构设计中，需要考虑材料的排布方式、层压顺序和几何形状等因素。
通过合理设计复合材料的结构，可以充分发挥其力学性能，同时满足应用需求。
三、结论复合材料具有优异的力学性能和结构设计潜力。
通过合理选择材料、控制界面以及进行结构设计，可以充分发挥复合材料的力学性能。
《复合材料结构设计》PPT课件
传统机械按键结构层图：
按键
PCBA
开关键Байду номын сангаас
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选择 平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议 留0.05~0.1mm，以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计算累积公
差，以防按键手感不良。
§4.3 层合板与层合件设计
4.3.4 变厚度层合板设计
20
§4.2 设计选材与设计许用值确定
4.2.2 设计许用值的定义与确定原则
金属材料设计许用值以应力表示，称设计许用应力 ；复合材料 结构的设计许用值选择应变，称设计许用应变。
确定设计许用值的一般原则： ★ 结构的拉伸设计许用值主要取决于含孔试样的许用值，结
构的压缩设计许用值主要取决于含冲击损伤试样的许用值。 ★ 薄蒙皮或薄面板蜂窝夹层结构设计许用值的确定，还需根
§4.4 夹层结构设计
4.4.1 夹层结构的破 坏模式与设计 准则
（1）夹层结构破坏模式
37
§4.4 夹层结构设计
4.4.1 夹层结构的破坏模式与设计准则
（2）夹层结构设计准则
◆ 在设计载荷下，面板的面内应力应小于材料强度，或在设计载荷下，面 板应变小于设计许用应变；
◆ 芯子应有足够的厚度（高度）及刚度 ； ◆ 芯子应有足够的弹性模量和平压强度，以及足够的芯子与面板平拉强度； ◆ 面板应足够厚，蜂窝芯格尺寸应合理； ◆ 应尽量避免夹层结构承受垂直于面板的平拉或平压局部集中载荷； ◆ 胶粘剂必须具有足够的胶接强度，同时还要考虑耐环境性能和老化性能； ◆ 碳纤维层合面板与铝蜂窝芯子胶接面要注意防止电偶腐蚀问题； ◆ 对雷达罩等有特殊要求的夹层结构，面板、芯子和胶粘剂选择必须考虑 电性能、阻燃、毒性和烟雾等特殊设计要求。
复合材料结构设计
2、层合板极限强度
导致层合板中各铺层全部失效时的层合板正则化内力（层合板逐层失效）
层间应力
强度：复合材料层合板抵抗层间应力的能力与基体强度
为同一量级
产生原因：
1、横向载荷 2、自由边界效应
自由边、孔周边等处存在层间应力集中
后果：易导致分层破坏
飞机结构设计的基本要求
➢ 气动性能要求：保证飞机具有合理的气动外形和好的表面质量（否则飞 行性能和品质变差） ➢ 最小重量要求：保证在足够的强度、刚度、疲劳安全寿命、损伤容限等 条件下，结构重量最轻 结构重量系数：飞机结构重量/飞机正常起飞重量 的百分比
2、夹层结构
上下面板（薄层合板）
—— 承受面内载荷（轴向拉压和面 内剪切）
中间芯层 （蜂窝、泡沫、波纹板
和木材等） —— 承受垂直于面板的剪切和压缩 应力，支持面板防止失稳。
优点：
➢ 更符合最小重量原则 比重小、刚度大（芯层支持抗弯好）、强度高（承受多轴向压力载荷）、 抗失稳、耐久性/损伤容限能力强（裂纹扩展和断裂韧性、抗声疲劳） ➢ 无铆缝（故机翼表面外形质量和气动性能较好） ➢ 简化结构（减少零件数目和减少装配工作量）
层合板/层压板的表示法：
图示法（直观）和公式法（简便）
（a）正轴坐标系和应力
（b）偏轴坐标系和应力
单向层合板的基本强度
铺层的基本强度，复合材料在面内正轴向的单轴正应力或纯剪力作用下
的极限应力（5项：单向板纵向和横向拉、压强度；面内剪切强度）。
层合板的强度
1、最先一层失效强度
各单一铺层应力分析→计算各铺层强度比→比较（强度比最小的铺层最 先失效，其对应的正则化内力）（强度比：材料强度极限同结构所受对应应
复合材料结构设计分析与力学性能测试
层合板设计的主要内容选择合适的单层铺设角-铺层方向；确定各铺设角单层的层数百分比-铺层比；确定铺层顺序：直接影响到层合板的刚度、强度、稳定性、振动、工艺性和使用维护性。
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一、复合材料结构设计流程
层合板设计的主要内容铺层结构简化表示
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一、复合材料结构设计流程
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一、复合材料结构设计流程
确定各铺设角单层的层数百分比-铺层比 若需设计成准各向同性层合板，采用[0/45/90/-45]s。0:90:±45铺层比0.25：0.25：0.50 准各向同性层合板：[A]为各向同性，与方向无关；各层具有相同的[Q]和相同的厚度；各层之间夹角相等。
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一、复合材料结构设计流程
层合板的设计方法
序
设计方法
方法要点
说明
1
等代设计
采用准各性同性层合板按刚度等代铝板
2
准网格设计
设计中仅考虑纤维承载能力，按应力比确定0、90、45纤维铺层比例
3
刚度设计毯式曲线设计
以面内刚度为主，设计铺层比例与面内强、刚度关系曲线，查出所需铺层比例
层合板初步设计方法
一、复合材料结构设计流程
1、明确设计条件： 性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制等。2、材料设计： 原材料选择、铺层性能确定、层合板设计等。3、结构设计： 复合材料层合板设计、结构典型特征的设计、夹芯结构设计、复合材料接头设计等。
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一、复合材料结构设计流程
设计分析制造一体化 在材料设计和结构设计中都涉及到应变、应力与变形分析、失效分析，以确保结构的强度和刚度。 复合材料结构往往是材料与结构一次成型的，且材料也具有可设计性。
复合材料结构设计教学大纲
复合材料结构设计教学大纲复合材料结构设计教学大纲引言：复合材料是一种由两种或两种以上的材料组成的材料，具有优异的力学性能和重量比。
在现代工程领域中，复合材料的应用越来越广泛。
为了培养学生对复合材料结构设计的理解和掌握，制定一份全面而系统的教学大纲是非常重要的。
一、复合材料的基本概念和分类1. 复合材料的定义和特点- 复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的材料，具有优异的力学性能、重量比和耐腐蚀性。
- 复合材料的组成包括基体材料和增强材料，可以根据增强材料的形态分类为颗粒增强、纤维增强和层叠增强等。
2. 复合材料的分类- 根据基体材料的类型，复合材料可以分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料等。
- 根据增强材料的形态，复合材料可以分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层叠增强复合材料等。
二、复合材料的力学性能1. 复合材料的力学性能参数- 弹性模量、屈服强度、断裂韧性等是评价复合材料力学性能的重要参数。
- 针对不同应力状态，可以定义拉伸强度、压缩强度、剪切强度等不同的力学性能参数。
2. 复合材料的强度理论- 复合材料的强度理论包括经典层合板理论、微观力学理论和损伤力学理论等。
- 不同的强度理论适用于不同的复合材料结构设计场景，需要根据实际情况进行选择和应用。
三、复合材料结构设计的基本原则1. 强度和刚度匹配原则- 复合材料结构设计中，应根据实际工作条件和要求，选择合适的增强材料、基体材料和层厚比例，以实现强度和刚度的匹配。
- 合理的层合板结构设计可以提高复合材料的整体性能。
2. 界面设计原则- 复合材料的界面是基体材料和增强材料之间的连接界面，界面的设计对复合材料的性能和寿命具有重要影响。
- 通过表面处理、界面增强和界面粘结等手段，可以提高复合材料的界面性能。
3. 成本效益原则- 复合材料的结构设计应考虑成本效益因素，包括材料成本、制造成本和维护成本等。
- 在保证性能的前提下，尽可能降低复合材料的制造和维护成本，提高整体经济效益。
复合材料结构的力学性能分析与优化设计
复合材料结构的力学性能分析与优化设计复合材料在现代工程领域中得到广泛应用，其独特的力学性能使其成为许多领域的首选材料。
为了确保使用复合材料结构的稳定性和安全性，对其力学性能进行准确的分析与优化设计是必不可少的。
复合材料的力学性能分析需要考虑以下几个方面：材料属性、构件设计和力学行为。
首先，复合材料的力学性能是由其材料属性决定的。
复合材料由纤维和基体组成，纤维负责承载载荷，而基体则起到连接纤维的作用。
在分析复合材料的力学性能时，需要了解纤维的类型、方向和体积分数，以及基体的特性。
这些信息可以通过材料测试和实验获得，例如拉伸测试、弯曲测试和压缩测试等。
通过这些测试可以获得复合材料的弹性模量、屈服强度和断裂韧性等力学特性。
其次，构件设计是影响复合材料力学性能的关键因素。
复合材料可以通过不同的构件设计来适应不同的工程要求。
构件的几何形状、层数、层序和连接方式等都会对复合材料的力学性能产生影响。
在进行力学性能分析时，需要根据构件的实际情况建立有限元模型。
有限元分析是一种常用的数值模拟方法，通过将复合材料结构划分为小块进行离散建模，然后通过求解有限元方程得到应力、应变和变形等信息。
通过有限元分析，可以评估不同构件设计对复合材料力学性能的影响，为优化设计提供依据。
最后，力学行为是评价复合材料力学性能的关键。
复合材料的力学行为通常包括线弹性、非线性、破坏和疲劳等。
线弹性是指在小应变范围内，复合材料的应力和应变呈线性关系。
非线性行为包括塑性变形、集中变形和层间剪切等，这些行为会导致驰豫和刚度退化。
破坏行为是复合材料在超出其极限时发生的，通常包括纤维断裂、基体剥离和界面开裂。
疲劳行为是复合材料在长期受到循环载荷作用下发生的。
优化设计是通过改变材料和结构参数来增强复合材料的力学性能。
在复合材料结构的力学性能分析中，通过在有限元模型中改变材料的属性和构件的设计来优化设计。
优化设计的目标可以是最小化构件的重量、最大化构件的刚度、最大化构件的承载能力等。
复合材料结构设计设计要求和原则
复合材料结构设计设计要求和原则1.强度和刚度要求：设计复合材料结构时，需要保证所选材料的强度和刚度满足设计要求。
根据实际使用条件和工作负荷，选择适当的复合材料，如碳纤维、玻璃纤维、金属基等，以满足结构的强度和刚度要求。
2.轻量化要求：复合材料结构的一个重要设计要求是实现轻量化。
由于复合材料具有较高的比强度和比刚度，可以在结构设计中使用更少的材料来实现相同的功能，从而减轻结构的自重。
轻量化不仅可以降低能耗和生产成本，还可以提高结构的性能和可靠性。
3.热膨胀匹配要求：由于不同材料的热膨胀系数不同，在复合材料结构设计中需要考虑材料之间的热膨胀匹配问题。
选择具有相似热膨胀系数的材料，或者通过采取合适的复合材料设计和工艺方法来改善热膨胀匹配性能，以减小结构在温度变化下的应力和应变。
4.基体和增强相的设计要求：在复合材料结构设计中，基体和增强相起着不同的作用，需要根据设计要求对其进行合理的选择和设计。
基体通常选择具有良好耐热性、耐蚀性和耐磨性的材料，而增强相则选择具有高强度和高刚度的材料。
同时，需要考虑基体和增强相之间的黏结力和界面效应，以确保复合材料结构的性能和可靠性。
5.界面设计要求：复合材料结构中的界面设计尤为重要。
界面质量直接影响到材料的性能和可靠性。
在界面设计中，需要考虑界面黏结强度、界面渗透性和界面应力分布等因素。
通过合理的设计和加工工艺，可以改善材料的界面性能，提高结构的性能和可靠性。
6.设计可加工性要求：复合材料结构设计不仅要考虑结构的性能和可靠性，还要考虑可加工性。
选择适合的复合材料和合适的加工工艺，能够提高结构的加工效率，降低生产成本。
同时，还需要考虑结构的易检修性和可再加工性，以提高结构的可维护性和可重复使用性。
7.安全性和环境友好性要求：在复合材料结构设计中，需要考虑结构的安全性和环境友好性。
通过合理的设计和材料选择，可以减少结构的潜在安全风险和环境污染。
设计中还需要考虑结构的耐久性、抗老化性和维修性，以确保结构的长期安全可靠运行。
第六章复合材料结构设计
为了修正误差，有人建议在上述公式的基本模量上乘以 修正系数0.63，即
E f ( 0 . 63 E m ) v f 3 (1 v f )
X
c
2v f
（拉压型）
X
c
0 . 63 G m 1 v
f
（剪切型）
6.2.2单层性能的确定 设计的初步阶段，为了层合板设计、结构设计的需要，必须 提供必要的单层性能参数，特别是刚度和强度参数。为此，通常 是利用细观力学分析方法推得到预测公式确定的。而在最终设计 阶段，一般为了单层性能参数的真实可靠，使设计更为合理，单 层性能的确定需用试验的方法直接测定。 A.单层树脂含量的选择
Ⅱ
2、横向弹性模量
并联模型的横向弹性模量与串联模型的纵向弹性模量相同。故
ET E L E f v f E m vm
Ⅱ
复合材料单层基本强度的预测
1. 纵向拉伸强度Xt 单层在承受纵向拉伸应力时，假定（1）纤维与基体之间没有 滑移，具有相同的拉伸应变；（2）每根纤维具有相同的强度，且 不计初应力。则在工程上发生上述两种破坏模式： A 基体延伸率小于纤维延伸率时 在应变达到εmu时，基体将先于纤维而开裂，但是纤维尚 能继续承载，直至应变达到εfu时，纤维断裂，复合材料彻底 破坏。对此，可偏于安全地认为纵向拉伸强度只取决于纤维。
1、串联模型的弹性常数 A 纵向弹性模量ELΙ
由模型І取出代表性体积单元， 作用平均应力δ1，在平面应力状态 下，如右图所示。这如同材料力学 中由两种材料并联组成的杆受拉时 的分析。由材料力学知道，已知纤 维材料的弹性模量Ef和基体材料 的弹性模量Em，欲求单元应变
ε1或纵向弹性模量EL的问题是 一次超静定问题。
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响等等。
2、复合材料结构设计过程 （教材P87)
复合材料结构设计是选用不同材料综合各种设计 （如层合板设计、典型结构设计、连接设计等） 的反复过程。
需考虑的一些主要因素：结构质量、研制成本、 制造工艺、结构鉴定、质量控制、工装模具的通 用性、设计经验
材料设计包括原材料选择、单层性能的确定和复 合材料层合板设计。
在此以聚合物基的复合材料的设计为例
1. 原料选择 （1）原材料选择原则
① 比强度、比刚度高； ② 材料与结构的使用环境相适应； ③ 满足结构特殊性要求； ④ 满足工艺性要求； ⑤ 成本低、效益高。
（2）纤维选择 选择纤维时，首先要确定纤维的类别，其次要确
一次结构
固体力学
二次结构
三次结构
一次结构是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其 力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的 形状、分布、含量)和界面区的性能。
二次结构是指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能 决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺 设方向、铺层序列) 。
隔绝外界的环境状态而保护内部物体
载荷情况
静载荷：指缓慢的由零增加到某一数值后就保持不变 或变动的不显著的载荷。
动载荷：指能使构件产生较大的加速度，并且不能忽略 由此而产生的惯性力的载荷。
结构的可靠性与经济性
图2：结构成本与可靠性的关系 结构可靠性分析可分为结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。
纤维量少，取决于基体
纵向压缩强度
c 2Vf
Vf E f Em 3(1Vf )
c
Gm 1Vf
最后以实验校核为准。
取计算结果小者
3. 层合板设计(P96)
内容包括：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。
0∘ ⊥45∘
0/90∘ 0/+45/90/-45∘
1）铺设技术要点和原则（P96）：
①对称铺设：与主应力方向、厚度中心对称。
第九章 复合材料的结构设计
主要内容
1、复合材料结构设计的概念和基础 2、复合材料的设计过程 3、复合材料设计的举例
一、复合材料的结构设计基础 （教材P8-9）
复合材料本身是非均质、各向异性材料，因此，复合材料力学在经典 非均质各向异性弹性力学基础上得到迅速发展。
复合材料不仅是材料，更确切的说是结构。
2.1 复合材料结构设计过程
性能要求 载荷情况 环境要求 形状限制
源材料选择
铺层性能确定
应力与变形 分析
层合板设计
失效分析
明确设计条件
材料设计
典型构件分析
结构设计
结构设计
图1：复合材料结构设计综合过程图
（1）明确设计条件。如结构性能要求、载荷情况、环境 条件、形状限制、结构可靠性与经济性等
（2）材料设计。包括原材料选择、铺层性能的确定、复 合材料层合板的设计等
性树脂，另一类为热塑性树脂。
热固性树脂包括环氧、酚醛、聚酯、聚酰 亚胺树脂 热塑性树脂如聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、 尼龙等。
（3）树脂的选择 ①要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工
作。 ②要求基体材料具有一定的力学性能。 ③要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤维的断
裂伸长率，以确保充分发挥纤维的增强作用。 ④要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学
性能 ⑤要求具有一定的工艺性
①受力结构件首选热固性树脂，大量使用、连续挤 压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）；
②<150℃，聚酯或环氧； ③150～400℃,聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂； ④内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）。
2. 单层性能的确定 目的： 为层合板设计提供依据 —— 强度、刚 度 一般过程： 确定复合比 → 性能预测 → 实验校核
（3）结构设计。包括复合材料典型结构件（如杆、梁、 板、壳等）的设计，以及复合材料结构（如刚架、硬壳式 结构等）的设计。
2.2 复合材料结构设计条件
结构性能要求 载荷情况 环境条件 结构的可靠性与经济性
复合材料结构设计பைடு நூலகம்件
结构性能要求
结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全
提供装置各种配件、仪器等附件的空间。对结构形 状和尺寸有一定限制
（1）确定复合比 复合比一般是根据单层的承力性质或单层的使
用性能选取的。
（2）刚度预测与核定 理论推测，实验核定。
（3）强度预测与核定 横向强度预测困难，以实验为准。 纵向拉伸强度(纤维延伸率小，首先断裂)
c f max Vf m Vm 纤维量多，取决于纤维
c mmax Vm
总成本最低时（即经济性最好）的可靠性为最合理。
环境条件
力学条件：加速度、冲击、振动、声音等
物理条件：压力、温度、湿度等
气象条件：风雨、冰雪、日光等 大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙 等
条件①和②主要影响结构的强度和刚度， 条件③和④主要影响结构的腐蚀、磨损、老化等。
2.3 材料设计
材料设计，通常是指用几种原材料组合成具有所 要求性能的材料的过程。原材料包括基体材料和 增强材料。
复合材料的设计
结构设计 铺层设计 单层材料设计
确定产品结构的形状和尺寸
对铺层材料的铺层方案做出合理安排， 决定层合板性能
正确选择增强材料、基体材料及其配 比，决定单层板的性能
复合材料结构设计的基础
复合材料力学是复合材料结构设计的基础。复合材料 力学主要在单层板和层合板这两个结构层次上展开。
复合材料力学的研究内容可以分为： 微观力学：研究纤维、基体组份性能与单向板性能的
定纤维的品种规格。
选择纤维类别，是根据结构的功能选取能满足一 定的力学、物理和化学性能的纤维。 选择纤维规格，是按比强度、比刚度和性价比选 取的。
①高强度，高刚度 高性能CF、BF
②高抗冲击
GF、KF
③低温性能
CF
④尺寸稳定
KF、CF
⑤透波，吸波
GF、KF、Al2O3
（3）树脂选择 目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固
三次结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性 能决定于层合体的力学性能和结构几何。
复合材料设计的三个层次
- 파트너와의 협력은 전략적 자산 - Supply Chain를 활용한 경쟁 우위 확보
- 고객 정보, 고객 관계는 전략적 자산 - 다양한 채널을 통합한 고객 서비스 제공