复合材料结构设计
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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 设计要求和原则
分析模型;等效板或其它模型 气动弹性剪裁内容及其敏感度分析;根据不同的设计要求;在气动弹
性剪裁中;应包括位移、应力、应变、振动频率、颤振分析 优化设计方法;规划法、准则法
结构分析要求
耐久性与损伤容限分析
复合材料结构的耐久性分析主要是指在使用载荷谱以及化学/湿热环境 条件下的寿命估算 损伤容限分析主要是指对含损伤结构的损伤扩展寿命预测和剩余强度 估算&
3飞行高温环境 A 应通过可靠的分析计算或实测确定飞行中气动加热及其它热源 产生的结构最高温度;典型温度剖面和最不利的温度剖面
B 对于超声速飞机的复合材料结构;当飞行引起的结构最高温度 比气候引起的结构最高温度更严酷时;应在设计使用寿命期内 环境条件平衡吸湿量;飞行温度剖面;载荷严重叠加下; 满足强度规范规定的强度和刚度要求
耐久性设计要求
特殊要求
冲击损伤源
设计时必须考虑使用引起的损伤;研究它对修理、维护、和功能可 能产生的影响;并证实外表面目视不易检出的损伤不影其响耐久性
重复的低能量冲击
冰雹撞击;工具掉落;踩踏引起的损伤是目视不可检;若在某一区 域内的反复冲击可能会影响结构耐久性;根据可能遇到的损伤类型 划分结构区域;并在研制试验程序中评定这些区域耐久性对损求
复合材料结构一般采用许用应变设计;注意性能、失效模式、耐久性、 损伤容限、制造工艺、质量控制等方面的差异&保证结构在使用载荷 下有足够的强度和刚度;在设计载荷下安全浴度大于零
在确定复合材料结构设计许用值时;须考虑环境对材料性能的影响; 环境因素有温度、湿度、生产使用过程中的最大不可见使用损伤 复合材料结构的安全水平不能低于同类金属结构 防止与金属零件接触时的电偶腐蚀 整体油箱、设备舱等;须防静电、防雷击、电磁兼容设计与试验验证 尽量将复合材料结构设计成整体件
性剪裁中;应包括位移、应力、应变、振动频率、颤振分析 优化设计方法;规划法、准则法
结构分析要求
耐久性与损伤容限分析
复合材料结构的耐久性分析主要是指在使用载荷谱以及化学/湿热环境 条件下的寿命估算 损伤容限分析主要是指对含损伤结构的损伤扩展寿命预测和剩余强度 估算&
3飞行高温环境 A 应通过可靠的分析计算或实测确定飞行中气动加热及其它热源 产生的结构最高温度;典型温度剖面和最不利的温度剖面
B 对于超声速飞机的复合材料结构;当飞行引起的结构最高温度 比气候引起的结构最高温度更严酷时;应在设计使用寿命期内 环境条件平衡吸湿量;飞行温度剖面;载荷严重叠加下; 满足强度规范规定的强度和刚度要求
耐久性设计要求
特殊要求
冲击损伤源
设计时必须考虑使用引起的损伤;研究它对修理、维护、和功能可 能产生的影响;并证实外表面目视不易检出的损伤不影其响耐久性
重复的低能量冲击
冰雹撞击;工具掉落;踩踏引起的损伤是目视不可检;若在某一区 域内的反复冲击可能会影响结构耐久性;根据可能遇到的损伤类型 划分结构区域;并在研制试验程序中评定这些区域耐久性对损求
复合材料结构一般采用许用应变设计;注意性能、失效模式、耐久性、 损伤容限、制造工艺、质量控制等方面的差异&保证结构在使用载荷 下有足够的强度和刚度;在设计载荷下安全浴度大于零
在确定复合材料结构设计许用值时;须考虑环境对材料性能的影响; 环境因素有温度、湿度、生产使用过程中的最大不可见使用损伤 复合材料结构的安全水平不能低于同类金属结构 防止与金属零件接触时的电偶腐蚀 整体油箱、设备舱等;须防静电、防雷击、电磁兼容设计与试验验证 尽量将复合材料结构设计成整体件
《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
力的比值）
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
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。
复合材料结构设计
§2.1 单层板的正轴刚度
二、基本知识 1、1-2坐标系
1向为纵向，即刚度较大的材料主方向； 2向为横向，即刚度较小的材料主方向。
§2.1 单层板的正轴刚度
二、基本知识 2、应力符号 正应力的符号：拉为正，压为负（与材料力学一致） 剪应力的符号：正面正向或负面负向为正，否则为负 （材料力学中的剪应力企图使单元体顺时针向转时为 正，逆时针向转时为负不同） 正面：指该面外法线方向与坐标轴方向一致的面，否 则称为负面； 正向：指应力方向与坐标方向一致的方向，相反时为 负向。
根据能量守恒原理可知，正的正应力或剪应力乘上对 应的正应变或剪应变一定是作正功。 举例：在只有σ1作用应力的条件下，其功 1/2 σ1ε1=1/2S11 σ12为正值。从而E1＝1/S11为正值。同样， 在只有ε1应变的条件下，其功1/2 σ1ε1=1/2Q11 ε12应为正 值上，所以Q11为正值。 E1 , E 2 , G12 0 同理可得：
(二)模量分量
①意义（定义）
Q11 ME1 , Q22 ME2 , Q66 G12 , Q12 M 2 E1 , Q21 M 1 E 2 Q16 Q61 Q26 Q62 0
(二)模量分量
应力－应变关系式（用模量分量表示）
1 Q11 2 Q 21 Q 12 61 Q12 Q 22 Q 62 Q16 1 Q11 Q 26 2 Q 21 Q66 12 0 Q12 Q 22 0 0 1 0 2 Q66 12
§1.4 复合材料的应用和发展
1、发展简史 2、现状 链接： /b/189741 1-1275526951.html
3 复合材料结构设计基础
J 0 i Fi Z
' 2 i
2
组合梁各层正应力为
Wi J 0 / Z i'
M M
i Z i' Ei i E J Wi 式中 M---该截面处的弯矩。 0 0 梁内剪应力可采用同样的方法处理。在 R 处的剪应力 r
Pcr 2 EJ F l 2 F
若 J i 2 F 其中 i ----压杆截面的最小惯性半径。则： 2E 2E cr 2 2 l i 式中 ----柔度或长细比
cr 将大于 B 当 小到一定值时， （ B 为材料的强度极限），这时 2 杆件的计算就应由材料的强度控制。即 cr ≤ B 故 E
* K1 N * / N y1 x1
K1
（5） 确定各定向层层数 各层的总厚度：
100% 10%,
* * K 2 N xy / N 1 x1
K2
100% 10%
hx : hy : hxy 1 : K1 : 2K 2 h hx hy hxy n nx n y nxy
（2）细长承压杆件 按稳定性条件设计，其稳定性条件为 P P 式中 P ---使用载荷 P ----许用载荷
2 EJ Pcr l 2
式中
E ----杆轴方向的弹性模量；
若引入临界应力 cr 的概念，则 cr
----长度系数；
J ----横截面的最小惯性矩； l ----压杆长度；
N x : N y : N xy 1 : K1 : K 2
* * * K1 N * y / N x , K 2 N xy / N x
复合材料结构设计
6.3.3 许用值与安全系数的确定
A 许用值的确定 许用值是结构设计的关键要素之一，是判断结构强度的基准。因此正确地确定许用值是结构设计和强 度计算的重要任务之一。安全系数也是一项非常重要的工作。 (1) 拉伸时许用值的确定方法 取下述三种情况得到的最小值 ①开孔试样在环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其断裂应变，并除以安全系数，经统计分析得出使 用许用值。 ②非缺口试样在环境条件下进行单轴拉伸试验，测定其集体不出现明显微裂纹所能达到的最大应变值， 经统计分析得到使用许用值。
构件的拐角应具有较大的圆角半径，避免在拐角处出现纤维断裂、富树脂、架桥等缺陷； 对于外形复杂的复合材料构件设计，应考虑制造工艺上的难易程度，可采用合理的分离面分 成两个或两个以上构件；对于曲率较大的曲面应采用织物铺层；对于外形突变处应采用光滑过度；对 于壁厚变化应避免突变，可采用阶梯型变化； 结构件的两面角应设计成直角或钝角 ······
6.2.2 单层性能的确定
前面章节所使用的混合法则，即单层性能与体积含量成线性关系的法则，仅适用于较为特殊 的一类复合材料。
对于一般的层合结构复合材料，已知原材料的性能欲确定单层的性能时较为困难的。 然而，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，通常需要利用细观力学方法推得的预测公式来进行计算。 而在最终设计阶段，单层性能的确定需要用试验的方法直接测定。
6.3.3 许用值与安全系数的确定
③开孔试样在环境条件下进行拉伸两倍疲劳寿命试验，测定其所能达到的最大应变值，经统计 分析得到使用许用值。
(2) 压缩时许用值的确定方法 取三种情况得到的最小值 (3) 剪切时许用值的确定方法 取两种情况得到的较小值
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而在最终设计阶段，单层性能的确定需要用试验 的方法直接测定。
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6.2.2 单层性能的确定
A 单层树脂含量的选择
一般根据单层的承力性质或单层的使用功能选
取
单层的功用
固化后树脂的质量含量(%)
主要承受拉伸、压缩、弯曲载荷
27
主要承受剪切载荷
30
用作受力构件的修补
35
主要用作外表层防机械损伤和大气老化
强度
刚度 断裂伸长率
耐湿性 热膨胀系数
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玻璃/树脂 低 大 容易 中等 良好 多 丰富
较好
低 大 差 适中
凯夫拉49/树脂 中等 小 困难 好 最佳
厚度规格较少 不多
比拉伸强度最高 比压缩强度最低
中等 中等 差 沿纤维方向接近零
碳/树脂 高 中等
较容易 差
不透电波 厚度规格较少
较多 比拉伸强度最高 比压缩强度最高
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6.1.2 设计条件
D 结构的可靠性与经济性
结构的可靠性：指结构在所规定的使用寿命内， 在给予的载荷情况和环境条件下，充分实现 所预期的性能时结构正常工作的能力。这种 能力用一种概率来度量称为结构的可靠度。
结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性
两方面。一般来说，要提高可靠性就得增加
结构性能 要求
结构的可 靠性与经
济性
设计 条件
载荷情况
环境条件
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5
6.1.2 设计条件
A 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的限制 隔绝外界的环境状态而保护内部物体
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6
6.1.2 设计条件
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6.2.2 单层性能的确定
前面章节所使用的混合法则，即单层性能与体积 含量成线性关系的法则，仅适用于较为特殊的一类复 合材料。
对于一般的层合结构复合材料，已知原材料的性 能欲确定单层的性能时较为困难的。
然而，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，通常需要利用细观力学方法 推得的预测公式来进行计算。
第6章 复合材料结构设计
§6.1 概述 §6.2 材料设计 §6.3 结构设计
6.1.1 复合材料结构设计过程 6.1.2 设计条件
§6.1 概述
6.1.1 复合材料结构设计过程
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，典型结构件设计、连接设计等)的反复 过程。在综合过程中必须考虑的一些主要因素有：结 构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、 工装模具的通用性及设计经验等。复合材料结构设计 的综合过程如图所示，大致分为三个步骤：
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6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
B 纤维选择
首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规
格
良好的透波、吸波性能
• E或S玻璃纤维、凯夫拉纤维、氧化铝纤维等
高刚度 • 高模量碳纤维、硼纤维
高抗冲击性 • 玻璃纤维、凯夫拉纤维2009-12-12 Nhomakorabea12
6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
B 纤维选择
首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规
格
低温工作性能
• 低温不脆化的碳纤维
尺寸对温度不敏感 • 凯夫拉纤维或碳纤维(热膨胀系数可为负值)
高强度、高刚度
• 碳纤维或硼纤维(比强度和比刚度)
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表6-1 几种纤维增强树脂的特点
项目 成本 密度 加工 抗冲击性能 透波性 可选用形式 使用经验
18
6.2.2 单层性能的确定
B 刚度的预测公式 选择代表性体积单元 σ1 如右图所示
2
σ1
1
L
ΔL
式中：
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(6-2)
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6.2.2 单层性能的确定
式(6-2)可改写为下面形式：
(6-3)
式中：
(6-4)
分别为单层的纤维体积含量和基体体积含量。
②纤维和基体有相同的线应变，且都等于单元的纵向 线应变，于是有：
B 载荷情况 静载荷：缓慢地由零增加到某一定数值以后就
保持不变或变动得不显著的载荷。 动载荷：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。
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6.1.2 设计条件
C 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、日光灯等 大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等
初期成本，而维修成本是随可靠性增加而降
低的，所以总成本最低时(即经济性最好)可靠
性最为合理。
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6.2.1 原材料的选择与复合材料性能 6.2.2 单层性能的确定 6.2.3 复合材料层合板设计
§6.2 材料设计
6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
A 原材料的选择原则 比强度、比刚度高 材料与结构的使用环境相适应 满足结构特殊性要求 满足工艺性要求 成本低、效益高
70
主要用作防腐蚀
70~90
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6.2.2 单层性能的确定
体积含量与质量含量之间的关系为：
(6-1)
式中：
另外，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。可依据国家标准3352-88和3355-88来执行。
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高 小 好 沿纤维方向接近零
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6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
C 树脂选择
主要有热固性和热塑性树脂可供选择
要求基体材料能在使用温度范围内正常工作
要求基体材料具有一定的力学性能
要求基体材料的断裂伸长率大于或接近纤维的 断裂伸长率
要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学 性能
要求具有一定的工艺性
(6-5)
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6.2.2 单层性能的确定
③单层、纤维和基体都是线弹性的，都服从胡克定律， 于是有：
(6-6)
将式(6-5)和(6-6)代入式(6-3)可得：
(6-7)
由于
(6-8)
所以式(6-7)又可写为：
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(6-9)
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3
6.1.1 复合材料结构设计过程
性能要求 载荷情况 环境条件 形状限制
1
2 原材料选择 铺层性能确定 层合板设计 3典型构件设计 结构设计
应力与应变分析 失效分析
4
1) 明确设计条件 2) 材料设计
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3) 结构设计 4) 应力应变及失
效分析
4
6.1.2 设计条件
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6.2.2 单层性能的确定
A 单层树脂含量的选择
一般根据单层的承力性质或单层的使用功能选
取
单层的功用
固化后树脂的质量含量(%)
主要承受拉伸、压缩、弯曲载荷
27
主要承受剪切载荷
30
用作受力构件的修补
35
主要用作外表层防机械损伤和大气老化
强度
刚度 断裂伸长率
耐湿性 热膨胀系数
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玻璃/树脂 低 大 容易 中等 良好 多 丰富
较好
低 大 差 适中
凯夫拉49/树脂 中等 小 困难 好 最佳
厚度规格较少 不多
比拉伸强度最高 比压缩强度最低
中等 中等 差 沿纤维方向接近零
碳/树脂 高 中等
较容易 差
不透电波 厚度规格较少
较多 比拉伸强度最高 比压缩强度最高
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6.1.2 设计条件
D 结构的可靠性与经济性
结构的可靠性：指结构在所规定的使用寿命内， 在给予的载荷情况和环境条件下，充分实现 所预期的性能时结构正常工作的能力。这种 能力用一种概率来度量称为结构的可靠度。
结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性
两方面。一般来说，要提高可靠性就得增加
结构性能 要求
结构的可 靠性与经
济性
设计 条件
载荷情况
环境条件
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6.1.2 设计条件
A 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的限制 隔绝外界的环境状态而保护内部物体
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6.1.2 设计条件
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6.2.2 单层性能的确定
前面章节所使用的混合法则，即单层性能与体积 含量成线性关系的法则，仅适用于较为特殊的一类复 合材料。
对于一般的层合结构复合材料，已知原材料的性 能欲确定单层的性能时较为困难的。
然而，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，通常需要利用细观力学方法 推得的预测公式来进行计算。
第6章 复合材料结构设计
§6.1 概述 §6.2 材料设计 §6.3 结构设计
6.1.1 复合材料结构设计过程 6.1.2 设计条件
§6.1 概述
6.1.1 复合材料结构设计过程
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，典型结构件设计、连接设计等)的反复 过程。在综合过程中必须考虑的一些主要因素有：结 构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、 工装模具的通用性及设计经验等。复合材料结构设计 的综合过程如图所示，大致分为三个步骤：
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6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
B 纤维选择
首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规
格
良好的透波、吸波性能
• E或S玻璃纤维、凯夫拉纤维、氧化铝纤维等
高刚度 • 高模量碳纤维、硼纤维
高抗冲击性 • 玻璃纤维、凯夫拉纤维2009-12-12 Nhomakorabea12
6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
B 纤维选择
首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规
格
低温工作性能
• 低温不脆化的碳纤维
尺寸对温度不敏感 • 凯夫拉纤维或碳纤维(热膨胀系数可为负值)
高强度、高刚度
• 碳纤维或硼纤维(比强度和比刚度)
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表6-1 几种纤维增强树脂的特点
项目 成本 密度 加工 抗冲击性能 透波性 可选用形式 使用经验
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6.2.2 单层性能的确定
B 刚度的预测公式 选择代表性体积单元 σ1 如右图所示
2
σ1
1
L
ΔL
式中：
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(6-2)
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6.2.2 单层性能的确定
式(6-2)可改写为下面形式：
(6-3)
式中：
(6-4)
分别为单层的纤维体积含量和基体体积含量。
②纤维和基体有相同的线应变，且都等于单元的纵向 线应变，于是有：
B 载荷情况 静载荷：缓慢地由零增加到某一定数值以后就
保持不变或变动得不显著的载荷。 动载荷：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。
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6.1.2 设计条件
C 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、日光灯等 大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等
初期成本，而维修成本是随可靠性增加而降
低的，所以总成本最低时(即经济性最好)可靠
性最为合理。
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6.2.1 原材料的选择与复合材料性能 6.2.2 单层性能的确定 6.2.3 复合材料层合板设计
§6.2 材料设计
6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
A 原材料的选择原则 比强度、比刚度高 材料与结构的使用环境相适应 满足结构特殊性要求 满足工艺性要求 成本低、效益高
70
主要用作防腐蚀
70~90
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6.2.2 单层性能的确定
体积含量与质量含量之间的关系为：
(6-1)
式中：
另外，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。可依据国家标准3352-88和3355-88来执行。
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高 小 好 沿纤维方向接近零
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6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
C 树脂选择
主要有热固性和热塑性树脂可供选择
要求基体材料能在使用温度范围内正常工作
要求基体材料具有一定的力学性能
要求基体材料的断裂伸长率大于或接近纤维的 断裂伸长率
要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学 性能
要求具有一定的工艺性
(6-5)
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6.2.2 单层性能的确定
③单层、纤维和基体都是线弹性的，都服从胡克定律， 于是有：
(6-6)
将式(6-5)和(6-6)代入式(6-3)可得：
(6-7)
由于
(6-8)
所以式(6-7)又可写为：
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(6-9)
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6.1.1 复合材料结构设计过程
性能要求 载荷情况 环境条件 形状限制
1
2 原材料选择 铺层性能确定 层合板设计 3典型构件设计 结构设计
应力与应变分析 失效分析
4
1) 明确设计条件 2) 材料设计
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3) 结构设计 4) 应力应变及失
效分析
4
6.1.2 设计条件