1、复合材料结构设计基础,材料科学与工程学院张娜，13564362742,470767262,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,教材,复合材料结构设计基础,课程先修力学基础,内容提要,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,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
2、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。,定义,用途,结构复合材料,功能复合材料,分类,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。,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。,组成,基体材料(连续相),增强材料(分散相),分类,粘结、保护纤维，并传递应力,金属基复合
3、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。颗粒的用：阻止基体材料的位错运动而起到增强作用。,由无纬布或
4、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) 强调基体 即强调了基体材料的种类和特征,命名,(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,古代,泥坯(稻草掺入泥中)、弓(木材为芯，在受拉面胶有平行的纤维)。,近代,十九世纪末期出
5、现由纤维增强橡胶制成的轮胎、橡胶布。,现代,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。,我国复合材料的发展潜力和热点,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
6、展创新。,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。,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
7、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。,Bulk molding compound的英文缩写，翻译成中文是块状模塑料，团状模塑料,SMC片状模压料（Sheet Molding Compound, SMC）是由树脂糊浸渍纤维或短切纤维毡，,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
8、较好的树脂基体所组成。,1.3.1比强度高、比模量高,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) 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一,1.3.2 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。层合板是复合材料结构
9、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固有特性，而且组分材
10、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)、面内剪切弹性模量G
11、LT 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。,
