《复合材料结构设计基础》课程介绍
复合材料基础课程教学大纲
复合材料基础课程教学大纲课程代码：学时：32 学分：2适用专业：金属材料工程一、课程的性质和任务1.课程的性质本课程是金属材料工程专业的专业选修课程。
2.课程的任务及目的本课程通过对系统掌握复合材料(特别是金属基、陶瓷基复合材料)应用领域的科学与工程方面基本理论和知识，使学生了解和掌握复合材料的主要制备工艺手段与技术方法。
达到基本胜任从事材料制备、加工成型、材料结构与性能分析工作的科研、教学、设计、技术开发、生产管理的高级工程技术人才的目的。
二、课程教学内容的基本要求、重点和难点及学时分配（一）学时分配（二）理论教学内容的基本要求、重点和难点1．绪论及基本概念与分类（1）复合材料的发展历史，复合材料定义；（2）复合材料的基本性能；（3）复合材料结构设计基础。
2．复合理论（1）了解复合原则；（2）掌握复合材料的界面设计原则；（3）掌握无界面粘结强度的测定、混合定律。
重点：复合材料的界面设计原则。
难点：无界面粘结强度的测定、混合定律。
3．复合材料的增强材料（1）了解它们的分类、结构特征、物化性能、基本制备方法及应用领域；（2）掌握氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅的强韧化机理。
重点：氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅的强韧化机理。
难点：氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅的强韧化机理。
4．复合材料的界面（1）了解界面的定义及界面效应；（2）掌握各类复合材料的界面特征；（3）掌握金属陶瓷、陶瓷基复合材料的表面处理过程及其与基体材料结合的界面特征。
重点：界面效应、各类复合材料的界面特征。
难点：金属陶瓷、陶瓷基复合材料的表面处理过程及其与基体材料结合的界面特征。
5．金属基复合材料（1）了解金属基复合材料的用途；（2）掌握铝基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料的结构与性能；（3）熟练掌握常用金属基复合材料的制备方法。
重点：铝基复合材料、镍基复合材料、钛基复合材料的结构与性能。
难点：常用金属基复合材料的制备方法。
6．陶瓷及陶瓷基复合材料（1）了解陶瓷基复合材料的种类和性能；（2）掌握陶瓷基复合材料的制备方法；（3）熟练掌握典型陶瓷基复合材料特别是纤维增强、晶须和颗料增强（韧）陶瓷基复合材料的的种类和性能，并了解相变增韧机制。
11.第十一次课——复合材料连接+复合材料结构设计基础(原耿)
层间产生剥离破坏
5.2 胶接连接设计
复合材料结构胶接的特点
② 复合材料构件与金属构件之间的热膨胀系数相差较大，所以 这两者胶接在高温固化后会产生较大的内应力和变形，因而应尽量 避开复合材料件与金属件的胶接。
5.2.1胶接连接的破坏形式
复合材料胶接接头在拉伸或压缩载荷作用下，有以下三种基本 破坏形式：（1）拉伸破坏；（2）剪切破坏；（3）剥离破坏
5.1 复合材料连接特点
复合材料连接方法的特点及选择原则
（1）承载较大，可靠性要求较高，采用机械连接。
机械连接适用于连接件厚度较大、可靠性要求较高和 传递较大集中载荷的情况，其中螺栓连接比铆钉连接可承 受更大的载荷，一般用于主承力结构的连接。
（2）承载小、构件薄，环境良好，宜采用胶接连接。 胶接的连接效率高，用于传递均布载荷或承受剪切载 荷的部位，适用于薄壁复合材料结构，尤其是纤维增强树 脂基复合材料结构件。 （3）特殊情况下，宜采用混合连接
E1 K [ E f 1v f Em (1 v f )]
其中K的取值在0.9-1之间，采用上式预测的结果与实验值符合良好。
4.3 单向连续纤维复合材料弹性常数的预测
4.3.4 组合模型的弹性常数
2 横向弹性模量E2
由于增强层和表面层在单层的横向为并联结构，因此横向弹性 模量E2的预测值根据细观力学可导出：
4.3 单向连续纤维复合材料弹性常数的预测
4.3.5 哈尔平-蔡（Halpin-Tsai）方程
哈尔平和蔡根据经验对非连续纤维复合材料的弹性常数提出 了一种近似表达式，如下： 纤维的体积含量 要预测的复合材料弹性 1 v M f 常数（E1、E2、G12、v1）
Mm
1 v f
《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
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§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。
复合材料结构设计基础共35页文档
材料科学与工程学院
复合材料结构设计基础
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
主讲教师：葛曷一，任保胜
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。
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。
课程先修 力学基础
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、争论、假设、讨论、说理、辩 驳或其他传统演说方法。
颗粒强化 复合材料
弥散强化 连续纤维 复合材料由纤维复在合三材维料多
方向编织而成
第九章--复合材料的结构设计 ppt课件
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。
一次结构
固体力学
二次结构
三次结构
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。
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
（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 mVm 纤维量多，取决于纤维
c mmax Vm
纤维量少，取决于基体
纵向压缩强度
c 2V f
Vf E f Em 3 (1 V f )
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。
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。
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。
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
复合材料结构设计基础
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 νL (或横向泊松比ν T)、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
耦合变形的示例
(2) 非均质性
耦合变形： 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。
硼/环氧 碳/环氧 铍
Al2O3晶须/Ni 钢 铝
复合材料在飞机上使 硼/铝 用量已作为当代飞机 硼/镍 硼/钼 先进性的指标之一
5 10 E/r(106cm) 20 30 40
几种常用 材料和纤 维增强复 合材料比 强度、比 模量的比 较
10 2
4
3
3
4
材料名称 钢 铝 玻纤/聚酯CM
比强度 0.13 0.17 0.53
聚 丙 烯 腈 基 纤 维 发 展
我国碳纤维工业发展缓慢，从 CF发展回顾、特点、国内碳纤维发 展过程、中国PAN基CF市场概况、 特点、“十五”科技攻关情况看，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。
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 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。
复合材料结构课程设计
复合材料结构课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握复合材料的基本概念，了解其组成、分类及性能特点；2. 使学生了解复合材料结构的设计原理，掌握复合材料结构设计的基本方法；3. 帮助学生理解复合材料结构在工程领域的应用，了解其优势及局限性。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识进行复合材料结构设计的能力，能独立完成简单的复合材料结构设计任务；2. 提高学生运用专业软件进行复合材料结构分析、优化和仿真的技能；3. 培养学生团队合作精神，提高沟通协调能力，能就复合材料结构设计问题进行讨论和交流。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对复合材料结构设计的兴趣，培养其探索精神和创新意识；2. 培养学生关注工程实际，认识到复合材料结构设计在工程领域的重要作用；3. 引导学生关注环保、节能等可持续发展理念，树立正确的设计价值观。
课程性质：本课程为专业选修课，以理论教学为主，实践操作为辅。
学生特点：学生具备一定的材料科学和力学基础知识，对复合材料结构设计有一定了解，但对实际应用和设计方法掌握不足。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力，培养学生的创新意识和团队合作精神。
通过本课程的学习，使学生能够将所学知识应用于实际工程设计中，为未来从事相关工作打下坚实基础。
二、教学内容1. 复合材料基本概念：包括复合材料的定义、分类、组成及其性能特点，对应教材第一章内容。
- 复合材料的分类与组成- 复合材料的基本性能2. 复合材料结构设计原理：讲解复合材料结构设计的基本原理、方法及其在设计中的应用，对应教材第二章内容。
- 复合材料结构设计原理- 结构设计方法及流程3. 复合材料结构设计方法：介绍复合材料结构设计的相关技术和方法，包括结构优化、仿真等，对应教材第三章内容。
- 复合材料结构设计技术- 结构优化与仿真4. 复合材料结构应用案例分析：分析实际工程中复合材料结构的应用案例，了解其优势及局限性，对应教材第四章内容。
复合材料结构设计基础
复合材料结构设计基础引言：复合材料在工程领域中得到了广泛的应用，其具有轻质、高强度和耐腐蚀等优点，能够满足特殊工程要求。
而复合材料的性能很大程度上取决于其结构设计。
因此，掌握复合材料结构设计的基础知识对于合理应用复合材料具有重要意义。
一、复合材料的基本结构类型：复合材料的结构分为层层结构和体积结构两种。
1.层层结构：包括片层结构和堆积结构。
片层结构是把纤维和基体按照一定的规则依次排列，形成层层叠加的结构。
堆积结构是将纤维和基体以相互几何间隔分别依次排列，形成嵌套式结构。
2.体积结构：纤维和基体相互交织形成立体网状结构，类似于海绵状的形态。
二、复合材料的结构设计原则：1.纤维体积分数的选择原则：纤维体积分数是指纤维在复合材料中所占的体积比例。
适当选择纤维体积分数可以满足设计要求，通常取决于应力和强度的匹配，高纤维体积分数可以提高材料的强度，但也会降低抗冲击性能。
2.不同纤维方向的选择原则：不同纤维方向的选择对于复合材料的强度和刚度具有决定性影响。
优秀的结构设计应根据受力情况选择不同方向的纤维，以保证复合材料具有理想的强度和刚度。
3.界面设计原则：纤维与基质之间的粘结界面对于复合材料的性能具有重要影响。
因此，在结构设计中应充分考虑界面的粘附强度和防止界面剥离的措施。
4.复合材料的层间变化原则：在复合材料的结构设计中，通常通过在层与层之间逐渐变化材料类型和纤维取向等参数，以实现不同功能的要求。
这种逐层变化的设计可以提高材料的韧性和耐疲劳性。
三、复合材料结构设计方法：1.等效材料法：将复合材料分解为等效的各向同性材料，使用经典力学的方法进行分析和计算。
2.高级弯曲理论法：使用高级理论进行弯曲分析，如层合板理论、剪切变形理论等，适用于层间残余应力较高的复合材料结构。
3.有限元方法：使用有限元分析软件对复合材料进行力学性能分析，可以得到结构的应力和应变分布。
结论：复合材料的结构设计是应用复合材料的关键，合理的结构设计可以充分发挥复合材料的优势，提高材料的性能。
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《复合材料结构设计基础》课程介绍
一、课程简介
《复合材料结构设计基础》是复合材料与工程专业的承前启后的专业方向课，它包含材料力学基础、弹性力学基础、材料设计、结构设计等，因而是具有立体性质的一个科学领域。
其主要任务是使学生掌握复合材料结构设计的基础理论、基本知识和基本技能。
通过本科程学习，要求学生掌握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，为后续专业课的学习以及从事复合材料领域的生产和科研奠定坚实的理论基础；学习科学思维方法和研究问题的方法，达到开阔思路、激发探索和创新精神、增强理论分析能力与实践能力的目的。
课程的主要教学内容包括：
第一章绪论
学习了解什么是复合材料特别是什么是纤维增强树脂基复合材料；了解复合材料的发展历史及现状；了解复合材料的结构设计的特点。
第二章单层的刚度与强度
掌握平面应力状态下单轴的正轴应力-应变关系等。
掌握单层的偏轴应力-应变关系；掌握单层弹性模量、柔量及工程弹性常数的计算。
掌握单层的弹性指标和单层的失效准则。
第三章层合板的刚度与强度
掌握层合板的表示法、掌握对称层合板面内内力与面内应力的关系。
掌握几种典型对称层合板的面内刚度系数的计算。
了解对称层合板弯曲矩与曲率的关系、掌握对称层合板弯曲工程弹性常数及弯曲刚度系数的计算。
了解一般层合板的面内力与面内应变的关系、了解一般层合板工程弹性常数、刚度系数的计算。
掌握如何依据单层的强度来预测层合板的最先一层失效强度。
第四章复合材料结构分析
了解在复材构件进行结构分析时所采用的弹性力学的基本方法。
了解复材层合梁、薄壁梁等构件的分析方法及设计计算的基本公式。
第五章复合材料连接
了解复材连接方式、掌握胶接连接接头的内力与应力分析计算方法、了解胶
接连接设计时应考虑因素。
了解机械连接的主要形式、掌握机械连接接头应力分析的步骤。
第六章复合材料结构设计
了解复合材料结构设计过程、了解材料设计包括的几个方面、了解结构设计的一般原则、掌握典型结构件的设计。
通过课程的教学，要求学生掌握复合材料力学中的基本概念；掌握复合材料在力学性能和结构设计方面的特点；掌握复合材料结构的分析与设计。
对复合材料结构设计过程中的一些共性和规律有较全面和系统的理解与认识，并具有初步应用的能力。
二、教学内容改革与教学条件完善
本课程的教学手段均采用多媒体教学法，配合以模型及鼓励学生课下进入实验室参观或直接参与一些简单的材料制备等实验，扩大了信息量，有利于学生的课堂学习并理解课程的重点和强调难点。
在授课过程中根据各章节的特点，因材施教。
综合考虑《复合材料结构设计基础》课程面向的是复合材料专业的特点，本门课程开课以来对教学大纲进行了多次修订，完善了教学内容，特别是自2013级开始实现一本招生以来，学生质量明显提高的情况之下，课题组对本课程的教学方式，教学内容，考核方式等都进行了针对性的改革与实践。
三、网络建设
2008年11月已完成了本课程的网络建设工作。
主要内容包括：课程介绍、师资队伍介绍、教学大纲、网络课件、实验教学、文献资料、教学录像、习题库及答疑教室。
近几年一直注重网络建设与维护，保证网络畅通，促进了学生对本课程知识的掌握。