第五章聚合物基复合材料结构设计2

5.2聚合物基复合材料的结构设计一次结构是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的形状、分布、含量)和界面区的性能。二次结构是指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺设方向、铺层序列)。三次结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性能决定于层合体的力学性能和结构几何。复合材料的设计结构设计铺层设计单层材料设计正确选择增强材料、基体材料及其配比，决定单层板的性能对铺层材料的铺层方案做出合理安排，决定层合板性能确定产品结构的形状和尺寸第5.2节聚合物基复合材料的结构设计重点（掌握）复合材料层合板设计难点复合材料性能与原材料的选择（掌握）复合材料结构设计的一般原则（掌握）结构设计应考虑的其它因素（了解）5.2聚合物基复合材料的结构设计5.2.1概述

1.复合材料结构设计过程

2.复合材料结构设计条件：结构性能要求载荷情况环境条件结构的可靠性与经济性5.2.2材料设计

1.原材料的选择与复合材料性能

2.单层性能的确定

3.复合材料层合板设计5.2.3结构设计

1.结构设计的一般原则

2.结构设计应考虑的工艺性要求

3.许用值与安全系数的确定

4.结构设计应考虑的其它因素5.2.1概述聚合物基复合材料设计包括：材料设计和结构设计。•

材料设计：根据使用要求，选取原材料；安排合适的工艺路线，将其制成满足性能要求的材料。•

结构设计：确定构件的最终构型、几何尺寸、组合关系等，使之满足力学性能，安全寿命，可加工性和经济性要求。设计过程：确定设计条件原料选择单层设计层合板设计结构设计实验校核5.2.1概述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。

性能要求载荷情况环境条件形状限制原材料选择铺层性能确定应力、变形分析失效分析层合板设计典型构件设计结构设计复合材料结构设计综合过程图明确设计条件材料设计结构设计复合材料结构设计的综合过程大致分为三个步骤(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(如衍架、刚架、硬壳式结构等)的设计。在上述材料设计和结构设汁中都涉及到应变、应力与变形分析，以及失效分析，以确保结构的强度与刚度。复合材料结构往往是材料与结构一次成型的，且材料也具有可设计性。不同于常规的金属结构设计，它是包含材料设计和结构设计在内的一种新的结构设计方法，比金属结构设计要复杂。在复合材料结构设计时，可以从材料与结构两方面进行考虑，以满足各种设计要求、尤其是材料的可设计性，可使复合材料结构达到优化设计的目的。

2.复合材料结构设计条件

在结构设计中，首先应明确设计条件，即根据使用目的提出性能要求、载荷情况、环境条件及受几何形状和尺寸大小的限制等，这些往往是设计任务书的内容。（1）结构性能要求一般来说，体现结构性能的主要内容有：①结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全；②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；③隔绝外界的环境状态而保护内部物体。（2）载荷情况结构承载分为静载荷和动载荷

静载荷：缓慢的由零增加到某一数值以后就保持不变或变动不显著的载荷；如固定结构物的自重载荷

动载荷：能够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。瞬时作用载荷（如火出车突然起动时产生的载荷）冲击载荷（如打桩机打桩）交变载荷（火车运行时各轴杆和连杆承受的载荷）在静载荷的作用下结构一般应设计成具有抵抗破坏和抵抗变形的能力，即具有足够的强度和刚度。在动载荷的作用下结构一般应设计成具有抵抗冲击、耐疲劳来设计结构

（3）环境条件一般在设计结构时，应明确的确定结构的使用目的，要求完成的使命，且还有必要明确它在保管、包装、运输等整个使用期间的环境条件，以及这些过程的时间和往返次数等，以确保在这些环境条件下结构的正常使用。为此，必须充分考虑各种可能的环境条件。一般为下列四种环境条件：（a）力学条件：加速度、冲击、振动、声音等；（b）物理条件：压力、温度、湿度等；（c）气象条件：风雨、冰雪、日光等；（d）大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等。

一般来说，上述环境条件可以单独作用，也可以受两种以上条件同时作用。同时，两种以上的条件之间不是简单相加的影响关系，而往往是更复杂的相互影响。因此在环境试验时应尽可能接近实际情况，同时施加各种环境条件。例如：当温度与湿度综合作用时会加速腐蚀与老化。分析各种环境条件下的作用与了解复合材料在各种环境条件下的性能，对于正确进行结构设计是很有必要的，除此之外，还应从长期使用角度出发，积累复合材料的变质、磨损、老化等长期性能变化的数据。影响结构的强度和刚度，是与材料的力学性能有关的条件影响结构的腐蚀、磨损、老化，是与材料的理化性能有关的条件(4)结构的可靠性与经济性现代的结构设计，特别是飞机结构设计，对于设计条件往往还提出结构可靠性度的要求，必须进行可靠性分析。所谓结构的可靠性，是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。

结构强度最终取决于构成这种结构的材料强度，所以欲确定结构的可靠度，必须对材料特性作统计处理，整理出它们的性能分布和分散性资料。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初期成本，而维修成本是随可靠性的增加而降低的，所以总成本最低时（即经济性最要好）的可靠性为最合理。结构成本与可靠性的关系5.2.2材料设计材料设计，通常是指选用几种原材料组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。一、原材料的选择与复合材料性能1.原材料的选择原则（1）比强度、比刚度高原则在满足强度、刚度、耐久性和损伤容限等要求的前提下，应使结构质量最轻。（2）材料与结构的使用环境相适应的原则通常要求材料的主要性能在结构整个使用环境条件下，其下降幅值应不大于10%。（3）满足结构特殊性要求的原则除了结构刚度和强度意外，许多结构物还要求有一些特殊性能。通常为满足这些特殊性要求，要着重考虑合理的选取基体材料。（4）满足工艺性要求的原则复合材料的工艺性包括预浸料工艺性、固化成型工艺性、机加装配工艺性和修补工艺性四方面。挥发物含量黏性树脂流出量预浸料贮存期处理期工艺期预浸料工艺性固化成型工艺性加压时间固化温度固化压力层合板性能对固化温度和压力的敏感性固化后构件的收缩率

机加装配工艺性主要是指机加工艺性；修补工艺性主要是指已固化的复合材料与未固化的复合材料通过其他基体材料或胶黏剂粘结的能力。

工艺性要求与选择的基体材料和纤维材料有关。（5）成本低、效益高的原则成本包括初期成本和维修成本，而初期成本包括材料成本和制造成本。效益指减重获得节省材料、性能提高、节约能源等方面的经济效益。

成本低、效益高的原则是一项重要的选材原则。2.纤维的选择首先确定纤维的类别，其次要确定纤维的品种规格。选择纤维类别，是根据结构的功能选择能满足一定的力学、物理和化学性能的纤维。（1）若结构要求有良好的透波、吸波性能，可选取E或S玻璃纤维、Kevlar(芳纶)纤维、氧化铝纤维等作为增强材料；（2）若结构要求有高的刚度：高模量碳纤维或硼纤维；（3）若结构要求有高的抗冲击性能：玻璃纤维、Kelvar纤维；（4）若结构要求有好的低温工作性能：低温下不脆化的碳纤维；（5）若结构要求尺寸不随温度变化：Kelvar纤维或碳纤维（热膨胀系数为负值）；（6）若结构要求既有较大的强度又有较大的刚度时，则可选用比强度和比刚度均较高的碳纤维或硼纤维。除选用单一纤维外，还可使用多种纤维构成混杂复合材料，包括纤维混合铺层和不同纤维构成的铺层混合，能以一种纤维的优点来弥补另一种纤维的缺点。选择纤维规格，是按比强度、比刚度和性能价格比选取的。对于要求较高的抗冲击性能和充分发挥纤维作用时，应选取有较高断裂伸长率的纤维。关于各种纤维的比强度、比刚度、性能价格比和断裂伸长率见表5.7，供选择纤维品种时参考。

纤维织物形式：交织布和无纬布或无纬带形式。一般玻璃纤维或芳纶纤维采用交织布形式，而碳纤维两种形式都采用。一般形状复杂处都采用交织布容易成型，操作简单，且交织布构成复合材料表面不易出现崩落和分层，适于制作壳体结构。无纬布或无纬带构成的复合材料的比强度、比刚度大，可使纤维方向与载荷方向一致，易于实现铺层优化设计，并且材料的表面比较平整光滑。几种纤维增强树脂的特点项目玻纤/树脂Kevlar49/树脂碳纤维/树脂成本低中等高密度大小中等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，半导体性质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高比压缩强度最低比拉伸强度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

项目纤维比强度比模量强度价格比模量价格比断裂应变%E玻璃纤维0.6729.6--2.43S玻璃纤维1.0432.10.226.673.25Kevlar49纤维1.985.80.114.962.23Kevlar149纤维1.931190.007-1.9氧化铝纤维0.3597.40.0071.90.36钨芯硼纤维1.411610.0132.00.88钨芯碳化硼纤维1.641600.0212.01.03钨芯碳化硅纤维0.981350.01552.130.73碳纤维T3001.741300.1538.511.33碳纤维Celion30001.83132--1.38碳纤维TM62.69170--1.66碳纤维T8003.11163--1.9碳纤维T10003.9162--2.4高模量碳纤维P701.0250--1.59高模量碳纤维P751.36288--0.47高模量碳纤维GY700.952640.0333.50.36高模量碳纤维P10000.993280.0371.030.30表5.7各种纤维的性能和性价比目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，另一类为热塑性树脂。复合材料的耐温和耐环境性主要取决于基体；复合材料其他性质（如对纤维的粘接性、传递和分散载荷的功能等）也依赖基体；纤维增强复合材料的使用温度范围通常按基体划分。

目前树脂基复合材料中用的最多的基体是热固性树脂，尤其是各种牌号的环氧树脂和聚酯树脂。环氧树脂有较高的力学性能，但工作温度较低，只能在-40~130℃范围内长期工作。对于需耐高温的复合材料，主要是用聚酰亚胺作为基体材料，它能在200~259℃温度下长期工作，短期工作温度可达350~409℃。凯夫拉-49复合材料的基体主要是环氧树脂。内装饰件常采用酚醛树脂，因为酚醛树脂具有良好的耐火性、自熄性、低烟性和低毒性。环氧树脂聚酰亚胺树脂酚醛树脂聚酯树脂热固性树脂聚醚砜聚砜聚醚醚酮聚苯砜热塑性树脂尼龙聚苯二烯聚醚酰亚胺3.基体树脂选择大量使用、连续挤压次受力件受力结构件树脂的选择应考虑如下的各种要求：（1）要求基体材料能在结构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）要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率，以确保充分发挥纤维的增强作用；（4）要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能，主要指吸湿性、耐介质、耐候性、阻燃性、低烟性和低毒性；（5）要求具有一定的工艺性，主要是指黏性、凝胶时间、挥发分含量、预浸带的保存期和工艺期、固化时的压力和温度、固化后的尺寸收缩率等。

一般环氧树脂：常选玻璃纤维、芳纶纤维不饱和聚酯：常选玻璃纤维酚醛树脂：常选玻璃纤维、碳纤维聚酰亚胺:常选芳纶纤维、碳纤维聚醚砜等热塑性树脂选用玻璃纤维多些二、单层性能的确定单层材料性能目前很难根据基体和增强纤维的性能确定，然而为了结构设计的需要，通常是利用细观力学分析方法推得的预测公式确定的。而在最终设计阶段，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直接测定。一般过程：确定复合比——性能预测——实验校核

(1)单层树脂含量的确定（确定复合比）一般是根据单层的承力性质或单层的使用功能选取合适的纤维含量与树脂的百分比。单层的功能固化后树脂含量（%）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用作外表层防机械损伤和大气老化70主要用作防腐蚀70~90(2)刚度的预测与核定

理论推测（表5-10单层和5-11正交层），实验核定（依据国家标准GB3354-1999“定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法”和GB3355-2005“纤维增强塑料纵向剪切试验方法”等进行。(3)强度的预测公式一般由公式所得的预测值要高于实测值。三、复合材料层合板设计复合材料层合板设计，是根据单层的性能确定层合板中各铺层的取向，铺设顺序，各定向层相对于总层数的百分比和总层数(或总厚度)。复合材料层合板设计通常又称为铺层设计。

(1)层合板设计的一般原则①铺层定向原则。由于层合板铺层取向过多会造成设计工作的复杂化，目前多选择0°，45°，90°和⊥45°四种铺层方向。②均衡对称铺设原则除特殊需要外，一般均设计成均衡对称层合板，以避免拉-剪、拉-弯耦合而引起固化后的翘曲等变形。③铺层取向按承载选取原则如果承受拉(压)载荷，则使铺层的方向按载荷方向铺设；如果承受剪切载荷，则铺层按(45°方向成对铺设；如果承受双向载荷，则铺层按受载方向0°，45°，90°正交铺设；如果承受多种载荷，则铺层按0°，90°，⊥45°多向铺设。0/+45/90/-45∘0/90∘0∘⊥45∘④铺层最小比例原则为避免基体承载，减少湿热应力，使复合材料与其相连接的金属泊松比相协调，以减少连接诱导应力等，对于方向为0°，90°，⊥45°铺层，其任一方向的铺层最小比例应大于6％-10％。⑤铺设顺序原则A.应使各定向层尽量沿层合板厚度均匀分布，也即使层合板的单层组数尽量地大或者说使每一单层组中的单层尽量地少，一般不超过4层，这样可以减少两种定向层之间的层间分层可能性。

B.如果层合板中含有45°层、0°层和90°层，应尽量使45°层之间用0°层或90°层隔开，也尽量使0°层和90°层之间用45°或⊥45°层隔开，以降低层间应力。冲击载荷分散应力主承载0º±45º⑥冲击载荷区设计原则冲击载荷区层合板应有足够多的0°层，用以承受局部冲击载荷；也要有一定量的45°层以使载荷扩散。除此之外，需要时还需局部加强以确保足够的强度。⑦防边缘分层破坏设计原则除了遵循铺设顺序原则外，还可以沿边缘区包一层玻璃布，以防止边缘分层破坏。⑧抗局部屈曲设计原则对于有可能形成局部屈曲的区域，将45°层尽量铺设在层合板的表面，可提高局部屈曲强度。⑨连接区设计原则沿载荷方向的铺层比例应大于30%，45°铺层比例应大于40％，以增加剪切强度，同时有利于扩散载荷和减少孔的应力集中。⑩变厚度设计原则变厚度零件的铺层阶差、各层台阶设计宽度应相等，其台阶宽度应等于或大于2.5mm。为防止台阶处剥离破坏，表面应由连续铺层覆盖。各定向层百分比和总层数的确定，也即各定向层层数的确定，是根据对层合板设计的要求综合考虑确定的。一般，根据具体的设计要求，可采用等代设计法、准网络设计法、毯式设计法、主应力设计法、层合板系列设计法、层合板优化设计法等。(2)等代设计法等代设计法是复合材料问世初期的设计方法，也是目前工程复合材料中较多采用的一种设计方法。一般是指在载荷和使用环境不变的条件下，用相同形状的复合材料层合板来代替其它材料，并用原来材料的设计方法进行设计，以保证强度或刚度。由于复合材料比强度、比刚度高，所以代替其他材料一般可减轻质量。这种方法有时是可行的，有时却是不可行的。对于不受力或受力很小的非承力构件是可行的；对于受很大力的主承力构件是不可行的，而对于受较大力的次承力构件有时是可行的，有时是不可行的，因此需进行强度或刚度的校核。以确保安全可靠。在这一设计方法中，复合材料层合板可以设计成准各向同性的，也可设计成非难各向同性的。究竟采用什么样的层合板结构形式，一般可按应力性质来选择。另外，在等代设计中，一般根据表5-11选择的层合板结构形式，构成均衡对称的层合板作为替代材料。不要误认为等代设计法必须采用准各向同性层合板。受力性质层合板结构形式用途承受拉伸、压缩载荷，及有限剪切载荷（0o/90o/90o/0o）或（90o/0o/0o/90o）用于主要应力状态为拉伸或压缩应力，或拉、压双向应力的构件设计承受拉伸、剪切载荷（45o/-45o/-45o/45o）或（-45o/45o/45o/-45o）用于主要应力为剪切应力的构件设计承受拉伸、压缩、剪切载荷（0o/45o/90o/-45o/-45o/90o/45o/0o）用于面内一般应力作用的构件设计承受压缩、剪切载荷（45o/90o/-45o/-45o/90o/45o）用于压缩和剪切应力，而剪切应力为主的构件设计承受拉伸、剪切载荷（45o/0o/-45o/-45o/0o/45o）用于拉伸和剪切应力，而剪切应力为主的构件设计表5-11等代设计中供选择参考的层合板结构形式（3)层合板排序设计法层合板排序设计法，是基于某一类(即选定几种铺层角)或某几类层合板选取不同的定向层比所排成的层合板系列，以表格形式列出各个层合板在各种内力作用下的强度或刚度值，以及所需的层数，供设计选择。层合板排序设计法需给出一系列层合板的计算数据，一般需用计算机实施。这种设计方法与网络设计法、毯式曲线设计法比较，后两者将单独强度叠加成复杂应力强度，这在复杂应力状态下是不够合理的。而层合板排序设计法直接按复杂应力状态计算应力强度的。在多种载荷情况下，必须用层合板排序设计法才有效。层合板排序设计法与选择的层合板种类有关，而层合板种类的多少将决定于计算机的容量和运算速度，因此不可能无限制地选择供层合板设计的层合板种数。三、结构设计

结构设计的一般原则

结构设计应考虑的工艺性要求

许用值与安全系数的确定

结构设计应考虑的其它因素

1.结构设计的一般原则

除遵循层合板设计原则、满足强度和刚度原则外，还须遵循以下原则：（1）一般采用按使用载荷设计、按设计载荷校核的方法。（2）按使用载荷设计时，采用使用许用值（使用载荷所对应的许用值）；按设计载荷校核时，采用设计许用值（设计载荷所对应的许用值）。（3）复合材料失效准则只适用于复合材料的单层，在未规定使用某一失效准则时，一般采用蔡-胡准则，且正则化相互作用系数未规定时就采用-0.5。（4）有刚度要求的一般部位，材料弹性常数的数据可采用试验数据和平均值，而有刚度要求的重要部位需要选取B基准值。2.结构设计应考虑的工艺性要求

（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）对外形复杂的构件设计，应考虑制造工艺的难度，采用合理的分离面分成两个或多个构件；对于曲率较大的曲面应采用织物铺层；在外形突变处采用光