复合材料的强度分析

复合材料强度分析之有限元分析有限元材料数据库的建立飞机有限元编号系统复合材料的强度分析---有限元分析方法

复合材料初步认识什么是复合材料复合材料在航空领域的应用现阶段我们复合材料应用的研究状态我们怎么样应对复合材料的发展趋势复合材料的有限元分析初步（核心内容）什么是复合材料复合材料定义复合材料组成部分复合材料分类航空上一般都用什么复合材料什么是复合材料复合材料的定义是由两种或者两种以上的不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料复合材料的组成部分复合材料由基体和增强材料两种组分组成基体一般由树脂，金属，非金属材料充当国内的：３２１８中温固化环氧树脂国外的：９３４环氧树脂双马来酰亚胺树脂等增强材料一般采用各种纤维或者颗粒材料芳纶碳纤维硼纤维玻璃纤维等复合材料分类一般按照复合材料中增强材料几何形状可分为三类颗粒复合材料，由颗粒增强材料和基体组成钢筋混泥土材料纤维增强复合材料，由纤维和基体组成碳纤维或者芳纶纤维的织物层合复合材料（包括混杂复合），由多种片状材料层合而组成ＧＬＡＲＥ（glassreinforced）ＡＲＡＬＬ（芳族聚酰胺和铝）纤维复合材料的层压板（纤维单向带或者织物热压）GLARE层压板的组成航空领域用一般复合材料根据以往飞机和新研发出来的飞机复合材料看（这里只列举通用飞机）纤维复合材料（玻璃纤维，碳纤维，芳纶纤维）混杂复合材料（ＧＬＡＲＥ，ＡＲＡＬＬ）复合材料发展趋势现在复合材料在民用航空上的发展趋势明朗起来应该可以断言复合材料是未来飞机材料的主流特别是复合材料在Ｂ７８７上的成功应用以及空客对Ｂ７８７的成功的反映很好的说明了复合材料在飞机设计师心目中的地位复合材料在航空领域的应用C现阶段我们复合材料应用开发状态由于我们才成立研发机构还没有这方面的设计经验由于复合材料在航空上的应用历史还不长，投入相对较大，各公司的技术封锁，我们现在对复合材料的应用设计可以说是零水平阶段．为了应对复合材料的发展态势，现在我们已经成立专门的复合材料小组进行该项技术的攻关．但是复合材料的强度以及损伤性能是有别于传统的金属材料的，这要求我们强度组花大力气致力于复合材料在航空应用方面的强度分析探索．应对复合材料发展趋势面对飞机设计材料在传统金属材料上的显著变化和现今我们的复合材料应用研究水平以既复合材料开发态势，我们应该怎么样在我们这样的技术资源环境下进行复合材料的利用研究呢？我们强度人员又应该干什么呢？我们的困境：我们大部分人没有涉及到复合材料的学习和强度分析，更没有复合材料设计与分析上的经验．我们现在也缺乏有经验的专家来给我们手把手的指导．而起复合材料的应用是一个系统的工程，是设计，分析，制造联系相当紧密的一种材料，这增加了复合材料应用研究的难度系数．是的，我们现在面临很大的困难，特别是项目的继续深入发展，要求我们尽快成长为一个能参与飞机强度设计的人才．应对复合材料发展趋势我们应该怎么做呢？首先，我们必须从基础入手，学习传统静强度分析的所有方法,＜复合材料力学＞，＜复合材料设计手册＞，＜复合材料实验手册＞，适航法规关于复合材料应用的相关规定，深入的了解复合材料这个体系的相关专业知识，甚至有必要达到精通．其次，不断开展调研，借鉴其他研究机构现有研究成果，尽快的对复合材料在航空领域的应用有总体的，生动的把握．然后是，相关复合材料的制造工艺体系的了解和熟悉，因为复合材料的制造工艺在很大的程度上影响复合材料的力学性能．然后是正式的参与项目，在项目中不断的学习和提高，成为一个合格的，优秀的复合材料飞机设计员以及强度分析人员．最后当然是灌注大量的精力在复合材料的应用研究和分析上，来完成上述列举的工作．

复合材料有限元分析初步与复合材料分析相关的力学知识和有限分析方法复合材料有限元分析初步复合材料力学的基本知识单层复合材料的宏观力学分析复合材料的失效准则层合板的宏观力学分析复合材料有限元分析一般复合材料的有限元分析层合板的有限元分析复合材料力学研究什么呢复合材料是研究复合材料力学行为的学科复合材料具有优秀的力学性能，这些性能在现在的航空航天和汽车制造领域具有很高的应用价值.有哪些优秀的品质呢？比强度（强度／重量）和比刚度（模量／重量）高疲劳性能高减振性能好高，低温性能好和膨胀系数小破损安全性能好可设计性能好等各向异性材料与同性材料由此可以看到各向异性材料具有耦合现象,然而各向同性材料没有耦合现象单层复合材料的宏观力学分析各向异性的、全不对称材料——21个常数单层复合材料的宏观力学分析正交平面应力状态下复合材料的应力－应变关系

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２单层复合材料宏观力学分析工程折减刚度矩阵单层复合材料宏观力学分析正交材料的刚度参量平面应力问题中正交各向异性单层材料的刚度矩阵和柔度矩阵只有4个独立的参数E1——1-方向上的弹性模量；E2——2-方向上的弹性模量；12——-2/1，当1=，而其他应力皆为零；21——-1/2，当2=，而其他应力皆为零；G12——在1-2平面内的剪切模量单层复合材料宏观力学分析应力转轴公式12xyθθxy12单层复合材料宏观力学分析应变转轴公式单层复合材料宏观力学分析任意方向的应力-应变关系复合材料的失效准则***各向同性材料最大正应力理论最大线应变理论最大剪应力理论最大歪形能理论在航空领域一般取最大歪形能理论进行强度的校核其中不等式右边的量可以取为材料屈服应力和材料的0.2水平应力,并除以安全系数复合材料的失效准则***正交各向异性单层材料的强度概念对于各向异性材料,最大作用应力不一定是材料的危险状态,而与材料主方向对应的最大主应力才是控制材料设计的应力材料有5个强度参量Xt—纵向拉伸强度Xc—纵向压缩强度Yt—横向拉伸强度Yc—横向压缩强度S—剪切强度复合材料的失效准则***

正交各向异性材料在材料的主方向上的拉伸和压缩强度一般是不同的,但是在主方向上的剪切强度(不管正负)都具有相同的最大值,但是非材料主方向上的剪切应力依耐于正负121212yx复合材料的失效准则***最大应力理论压缩拉伸xy12θ复合材料的失效准则***最大应变理论拉伸压缩时复合材料的失效准则***最大应变理论复合材料的失效准则***蔡-胡张量理论（Tsai-Wu)蔡-胡假定在应力空间中的破坏表面存在如下形式:其中：Fi，Fij为二阶和四阶强度张量在平面应力状态下：复合材料的失效准则***强度张量的某些分量可以用已经讨论过的工程强度来确定：对拉伸载荷：对压缩载荷：同理：材料主方向上的剪切强度和剪应力的符号无关，则有：复合材料的失效准则***对于四阶强度张量Fij，基本上不能用材料主方向的任何单向试验来确定，必须采用双向试验，因为它是1和2的系数。我们采用双向拉伸试验：则有：代入已知量：如果：2F12=-F11:与霍夫曼准则相同如果：拉压强度相同，2F12=-1/X2，与蔡-希尔准则相同层合板的宏观力学分析层合板定义：是由两层或多层简单层板粘合在一起作为一个整体的结构单元。各单层的材料主方向的布置应使结构元件能承受几个方向的载荷单层板是层合板或层合结构分层的基本单元，对它的宏观力学研究是分析层合结构的基础层合板各单层的材料、厚度和弹性主方向等可以互不相同。适当地改变这些参数，人们就可以设计出最有效地承受特定外载的结构元件，这是复合材料层合板突出的优点之一。层合板的宏观力学分析有不同物理性质和几何尺寸单层组成的层合板具有最一般的各向异性性质层合板不一定有确定的主方向另一方面，这种层合板在厚度方向具有客观的非均匀性和力学性质的不连续性对层合板的力学分析就变得更为复杂已知单层的性质，主要关注沿厚度方向的应力和应变的变化层合板的宏观力学分析第k层的应力-应变关系层与层过渡和层与层的结合方式的考虑沿厚度方向的积分单层板的应力-应变性能层合板的宏观力学分析单层平面应力状态假设：层合板中各单层都可近似地认为处于平面应力状态z=0假设：在厚度方向上的正应力于其它应力相比很小，可忽略不计层合板的宏观力学分析xz1234层合板应变变化特征模型应力变化因层合板沿厚度方向物理性质不连续导致应力的不连续层合板的宏观力学分析12kNtt/2z层数zNzN-1zkZk-1z0z1z2按每一层层合板的宏观力学分析子矩阵[A]、[B]和[D]分别称为面内刚度矩阵、耦合刚度矩阵和弯曲刚度矩阵，都是3×3对称矩阵层合板的宏观力学分析几何和材料性能都对称于中面的层合板刚度方程可以大大简化由于刚度特性和厚度的对称性。可以证明所有的耦合刚度都为零——没有耦合对称层合板通常比有耦合影响的层合板容易分析对称层合板没有因固化后冷却时的热收缩引起的扭曲倾向实际工程中通常采用复合材料有限元分析方法初步设计流程一次流程几何参数确定预分析设置复合材料铺层基于复合材料分析达到目标样品实验产品应力分布与大小一般是用金属材料分析应变分布与大小用复合材料分析看是否超过设计值根据分析数据确定根据经验确定层合后的材料属性,包括冲击损伤性能二次流程二次流程分析流程力学模型几何信息有限元化单元属性分析后处理根据工程问题简化建立有限元模型和边界,载荷条件建立材料和单元属性分析数据看是否复合实际情况并整理之分析例子例1:复合材料矩形梁的分析P=1000L=10δh=2材料层厚度T300QY8911单向带T300QY8911平纹织物铺层样式:(±45/90/0/±45/90/0)s分析例子P=1000L=30δh=5材料层厚度T300QY8911单向带T300QY8911平纹织物铺层样式:+30/-15/90/0/±15/90/0例2:矩形平板的分析分析后采用TSAI-WU理论校核各层性能外界载荷之间的比例计算层合板的刚度ABD如果没有层片破坏如果层片破坏计算和载荷系数有关的各层应力在材料主方向上确定相对的各层应力将相对的各层应力和破坏准则进行比较计算一层破坏时的载荷用于给零的性能，从层合板中消去一层计算层和板的变形xyxy分析后采用TSAI-WU理论校核这样计算量相当大,但是在我们航空上不允许层合板在设计载荷下单层发生破坏,所以我们可以仅对每个单层进行强度计算.习题1X21YΘ=45°把XY坐标系下的应力转化到1,2坐标系下写出偏轴公式习题1查阅书籍,看还有什么复合材料的强度理论,并写出其具体的用法区别复合材料的强度理论和各向同性金属材料的强度理论习题2δ=0.2IN±0.009D=25L=100IN所有单位用IN习题21.载荷:P=20PSI2.分析材料:复合材料织物和单向带各一种,铺层方式自己确定3.选择材料方式:自己在复合材料手册上选取材料,并确定分析所需材料参数4.要求:交作业时需要附带所选材料的书籍名称和页码,以及材料性能参数5.强度计算:最后用失效准则校对该结构的复合材料强度,给出强度余量6:强度计算后给出你所认为正确的铺层方式7: