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玻璃钢产品设计课程任务报告书项目一复合材料结构设计基础知识复材121 第 七 组 项目负责人：王建军 项目组成员：廖兵 李海嘉 贾金城起止时间 ：2014.2.25-2014.3.6 指导老师 ：杨 娟绵阳职业技术学院材料工程系 2013-2014 学年第 2学期玻璃钢产品设计 课程任务书班级 复材121 部门（组） 第 七 组 任务 项目一 一、任务题目：归纳整理复合材料结构设计相关基础知识二、任务内容和要求：（1）内容及要求：通过查阅资料完成以下内容：1 完成一种新复合材料制品的开发设计，应该遵循哪些程序？说明每一程序的内容及要求。2 复合材料结构设计包含哪些内容？3 进行复合材料结构设计时需明确设计条件，其包含哪些方面的内容？4 原材料选择应注意哪些原则？5 选择树脂和纤维时应分别遵循哪些要求？6 如何实施复合材料层合板的铺层设计？7 复合材料结构设计应考虑哪些工艺性要求？根据所学知识进行材料设计：8 某化工厂输液管道：输运介质为50%H2SO4溶液，液体温度为96；使用寿命5年，根据已知工况条件选择管壁各层所用材料。要 求：通过查阅资料，老师讲解掌握以上问题所涉及的内容，能根据实际条件，合理选择材料并进行结构设计。（2）任务报告要求任务报告内容包括封面、任务书、正文、总结（收获体会）、参考文献。任务报告统一用A4纸打印，版面边距上空2.5cm，下空2cm，左空2.5cm，右空2cm；正文用宋体小四号字；页码底端居中，小五号字；行间距：固定值19磅。（2）进度要求：任务下达日期： 2014 年 2 月 25 日任务完成日期： 2014 年 3 月 11 日（3）其它要求 各组成员必须服从组长安排，积极配合、认真完成下达任务并按时提交任务报告。1完成一种新复合材料制品的开发设计应遵循的程序，与每一道程序的内容及要求。 一种复合材料制品的开发设计，应该遵循的程序是： （1）复合材料制品的造型（构造）设计 复合材料的设计首先应该考虑的就是造型设计，即根据我们所要设计的制品的用途来决定制品到底是什么形状。 （2）复合材料制品的物化性能设计 首先决定复合材料制品的用途，来决定其物化性能。物理性能包括强度、刚度、耐磨损、电性能等；化学性能包括耐腐蚀等。 （3）复合材料制品的结构设计 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（如桁架、刚架、硬壳式结构等）的设计。 （4）复合材料制品的成型工艺设计 成型工艺设计要考虑的是制品如何成型，包括拉挤成型、缠绕成型、模压成型等。 （5）复合材料的质量检验 检验根据上述设计所生产的制品的质量及性能等是否复合要求。2、 复合材料结构设计的内容。 复合材料结构设计是训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大致分三个步骤：（1） 明确设计条件 如性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制等；（2） 材料设计 包括原材料的选择、铺层性能的确定、复合材料层合板的设计等；（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（如桁架、刚架、硬壳式结构等）的设计。在上述材料设计和结构设计中都涉及到应变、应力与变形分析，以及失效分析，以确保结构的强度和刚度。3 进行复合材料结构设计时需明确设计条件，其包含哪些方面的内容？ 1).复合材料结构一般采用应变设计，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，在设计载荷安全浴度大于零。 2)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，复合材料结构的安全水平不能低于同类金属结构，生产使用过程中的最大不可见使用损伤。 3)复合材料结构的安全水平不能低于同类金属结构。 4)防止与金属零件接触时的电偶腐蚀、整体油箱，设备舱登，须防静电，防雷击，电磁兼容设计与实验验证， 5)尽量将复合材料结构设计成整体件， 6)复合材料结构的安全水平不能低于同类金属结构 4 原材料选择应注意哪些原则？ 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 5选择树脂和纤维时应分别遵循哪些要求？ 1）纤维选择： 首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规格 几种纤维增强树脂的特点项目玻璃/树脂凯夫拉49/树脂碳/树脂成本底中等搞加工容易困难较容易抗冲击性能中等好差透波性良好最佳不透电波可选用形式多厚度规格较少厚度规格较少使用经验丰富不多较多强度较好比拉伸强度最高比压缩强度最低比拉伸强度最高比压缩强度最高刚度低中等高断裂伸长率大中等小耐湿性差差好热膨胀系数适中沿纤维方向接近零沿纤维方向接近零密度大小中等 2）树脂选择： 主要有热固性和热塑性树脂可供选择 、 (1)要求基体材料能在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)要求基体材料的断裂伸长率大于或接近纤维的断裂伸长率 (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 6如何实施复合材料层合板的铺层设计？（1）均衡对称铺设原则 除了特殊需要外，结构一般均设计成均衡对称层合板形式，以避免拉-剪、拉-弯耦合而引起固化后的翘曲变形。（2）铺层定向原则 在满足受力的情况下，铺层方向数应尽量少，以简化设计和施工的工作量。一般多选择 0、 90 和 45等4种铺层方向。（3）铺层取向按承载选取原则 铺层的纤维轴向应与内力的拉压方向一致，以最大限度利用纤维轴向的高性能。（4）铺设顺序原则 主要从三方面考虑：应使各定向单层尽量沿层合板厚度均匀分布，避免将同一铺层角的铺层集中放置。如果不得不使用时，一般不超过4层，以减少两种定向层的开裂和边缘分层。另外，铺设顺序对层合板稳定性承载能力影响很大，这一因素也应考虑。（5）铺层最小比例原则 为使复合材料的基体沿各个方向均不受载，对于由方向为 0 、 90 、 45 铺层组成的层合板，其任一方向的最小铺层比例应6%10% 。（6）冲击载荷区设计原则 对于承受面内集中力冲击部位的层合板，要进行局部加强。另外，还需采取局部增强措施，以确保足够的强度。（7）连接区设计原则 应使与钉载方向成45的铺层比例40%，与钉载方向一致的铺层比例大于25%，以保证连接区有足够的剪切强度和挤压强度，同时也有利于扩散载荷和减少孔 的应力集中。（8）变厚度设计原则 在结构变厚度区域，铺层数递增或递减应形成台阶逐渐变化，因为厚度的突变会引起应力集中。要求每个台阶宽度相近且60，台阶高度不超过宽度的1/10。然后在表面铺设连续覆盖层，以防止台阶外发生剥离破坏。（9）开口区铺层原则 在结构开口区应使相邻铺层的夹角60，以减少层间应力。开口形状应尽可能采用圆孔，因为圆孔边应力集中较小。若必须采用矩形孔，则拐角处要采用半径较大的圆角。另外在开口时，切断的纤维应尽可能少。7复合材料结构设计应考虑哪些工艺性要求？ 工艺性包括构件的制造工艺性和装配工艺性。复合材料结构设计时结构方案的选取和结构细节的设计对工艺性的好坏也有重要影响。主要应考虑的工艺性要求如下： 1)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； 2)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； 3）结构件的两面角应设计成直角或钝角 根据所学知识进行材料设计： 8某化工厂输液管道：输运介质为50%H2SO4溶液，液体温度为96；使用寿命5年，根据已知工况条件选择管壁各层所用材料。要 求：通过查阅资料，老师讲解掌握以上问题所涉及的内容，能根据实际条件，合理选择材料并进行结构设计。根据要求：1）明确设计50%H2SO4溶液运输管道的性能要求，荷载情况，环境条件，形状限制。2)原材料选择树 脂：环氧树脂 纤 维： 1）纤维选择： 首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规格 几种纤维增强树脂的特点项目玻璃/树脂凯夫拉49/树脂碳/树脂成本底中等搞加工容易困难较容易抗冲击性能中等好差透波性良好最佳不透电波可选用形式多厚度规格较少厚度规格较少使用经验丰富不多较多强度较好比拉伸强度最高比压缩强度最低比拉伸强度最高比压缩强度最高刚度低中等高断裂伸长率大中等小耐湿性差差好热膨胀系数适中沿纤维方向接近零沿纤维方向接近零密度大小中等铺层性能确定： 1）内层：耐腐蚀，光滑，耐冲击性 2）中层：具有较强的力学强度，刚度 3）外层：耐老化，抗冲击性，耐腐蚀 层合板设计： 层合板设计的一般原则 1) 铺层定向原则 2) 均衡对称铺设原则 3) 铺层取向按承载选取原则 4) 铺层最小比例原则 5) 铺设顺序原则 6) 冲击载荷区设计原则 7) 防边缘分层破坏原则 8) 抗局部屈曲设计原则 9) 连接区设计原则 10) 变厚度设计原则 。 典型结构设计 典型结构件的设计主要是根据其受力情况而定的。 弯头处:纤维沿荷载方向铺设 结构设计： 1)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； 1）按设计载荷校核的方法 使用载荷是指正常使用中可能出现的最大载荷，在该载荷下结构不应产生残余变形。 设计载荷是指设计中用来进行强度计算的载荷，在这种载荷下材料刚开始或接近破坏。 2) 按使用载荷设计时，采用使用载荷所对应的许用值称为使用许用值；按设计载荷校核时，采用设计载荷所对应的许用值，称为设计许用值。 许用值是计算中允许采用的性能值，由一定的试验数据确定。使用许