复合材料课件-第4章-复合材料设计原理.ppt
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- 复合材料 课件 设计 原理
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1、第第4章章 复合材料复合材料设计原理设计原理4.1 复合材料的可设计性复合材料的可设计性复杂性复杂性灵活性刚度刚度强度强度制造工制造工艺艺(1)各向异性)各向异性 正交各向异性正交各向异性 纵向(纵向(L)横向(横向(T)各向同性材料工程弹性常数:各向同性材料工程弹性常数:E、(G)正交各向异性正交各向异性工程弹性常数:工程弹性常数:TLTLLTEEG、性能是一点方向的函数性能是一点方向的函数u 复合材料力学性能特点复合材料力学性能特点(2)非均质性)非均质性性能是位置的函数性能是位置的函数各向异性和非均质性导致各向异性和非均质性导致耦合变形耦合变形和高温固化和高温固化翘曲变形翘曲变形非均质性
2、还将构成复合材料力学性能的其它一些特性非均质性还将构成复合材料力学性能的其它一些特性拉弯耦合拉弯耦合 拉剪耦合拉剪耦合变形复杂性耦合变形变形复杂性耦合变形弯扭耦合弯扭耦合各向同性材料强度指标各向同性材料强度指标1个:个:(塑性材料)(塑性材料)(脆性材料)(脆性材料)正交各向异性正交各向异性强度指标强度指标5个:个:ctctXXYYS、S b 屈服强度极限强度(3)层间强度低)层间强度低bh312bhEIE3312112 24 12bhbhEIEIEIE24.1.2 4.1.2 复合效应复合效应 一次函数一次函数y=kx+b 叫线性函数叫线性函数,它的图象是它的图象是一条直线一条直线。非一次函
3、数非一次函数(如如y=x2,y=k/x,y=sinx.).)都叫非线性函数都叫非线性函数,它们它们的图象都的图象都不是直线不是直线。线性指量与量之线性指量与量之间成间成关系关系非线性指量与量非线性指量与量之间成之间成关系关系 线性效应线性效应 非线性效应非线性效应 不同复合效应的类别不同复合效应的类别线性效应线性效应非线性效应非线性效应平均效应平均效应相乘效应相乘效应平行效应平行效应诱导效应诱导效应相补效应相补效应共振效应共振效应相抵效应相抵效应系统效应系统效应串联模型并联模型基体增强体是复合材料所显示的最典是复合材料所显示的最典型的一种复合效应。型的一种复合效应。4.1.2.1 4.1.2.
4、1 平均效应平均效应cmVm+fVfEc=EmVm+EfVfKcKc材料性能;材料性能;ViVi为组分材料的体积分数;为组分材料的体积分数;c c复合材料;复合材料;m m基体;基体;f f增强体(功能体)增强体(功能体)Kc=KiVi(并联模型)1/Kc=Vi/Ki(串联模型)Knc=KniVi复合材料的各组分在复合材料中,均保留本身的性复合材料的各组分在复合材料中,均保留本身的性质,既无制约,也无补偿。质,既无制约,也无补偿。玻璃纤维增强环氧树脂复合材料玻璃纤维增强环氧树脂复合材料与与环氧树脂的环氧树脂的耐腐蚀性能基本相当耐腐蚀性能基本相当4.1.2.2 4.1.2.2 平行效应平行效应组
5、成复合材料的基体与增强体,在性能上互补,组成复合材料的基体与增强体,在性能上互补,弥补各自的缺点,从而提高了综合性能。弥补各自的缺点,从而提高了综合性能。4.1.2.3 4.1.2.3 相补效应相补效应适宜的结合适宜的结合脆性的高强度脆性的高强度纤维增强体纤维增强体韧性基体韧性基体基体与增强体组成复合材料时,若组分间性能相互制基体与增强体组成复合材料时,若组分间性能相互制约,限制了整体性能提高,则复合后显示出相抵效应。约,限制了整体性能提高,则复合后显示出相抵效应。4.1.2.4 4.1.2.4 相抵效应相抵效应脆性断裂脆性断裂 界面结合很强界面结合很强脆性的纤维脆性的纤维脆性脆性陶瓷陶瓷基体
6、基体(X/Y)(Y/Z)X/Z 两种具有转换功能的组分复合两种具有转换功能的组分复合在一起,有可能产生新的功能。在一起,有可能产生新的功能。4.1.2.2 非线性效应非线性效应(1)相乘效应)相乘效应表表4-1 4-1 复合材料的乘积效应复合材料的乘积效应A A相性质相性质 X/YX/YB B相性质相性质 Y/ZY/Z复合后的乘积性质复合后的乘积性质 X/Z X/Z压磁效应压磁效应磁阻效应磁阻效应压敏电阻效应压敏电阻效应压磁效应压磁效应磁电效应磁电效应压电效应压电效应压电效应压电效应场致发光效应场致发光效应压力发光效应压力发光效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应压阻效应压阻效应磁阻效应磁阻效应光电效应
7、光电效应电致效应电致效应光致伸缩光致伸缩热电效应热电效应电致发光效应电致发光效应红外光转换可见光效应红外光转换可见光效应热致变形效应热致变形效应压敏电阻效应压敏电阻效应热敏电阻效应热敏电阻效应复合复合 石墨粉石墨粉高聚物高聚物变形变形-电电阻效应阻效应热致变形热致变形自控发热体自控发热体在一定条件下,复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用在一定条件下,复合材料中的一组分材料可以通过诱导作用使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。使另一组分材料的结构改变而改变整体性能或产生新的效应。(2)诱导效应)诱导效应例如:例如:结晶的纤维增强体对非晶结晶的纤维增强体对非晶基体的基体的诱导结晶
8、诱导结晶或基体的晶形取或基体的晶形取向作用。向作用。2021涤纶纤维增强聚丙烯复合材料涤纶纤维增强聚丙烯复合材料横晶横晶球晶球晶(3)系统效应)系统效应 红红、黄黄、蓝蓝三色组成的彩色世界三色组成的彩色世界 涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和涂膜的硬度大于基体和膜层硬度之和指将不具备某种性能的诸组分通过特定的复合状态复指将不具备某种性能的诸组分通过特定的复合状态复合后,使复合材料具有单个组分不具有的合后,使复合材料具有单个组分不具有的新性能新性能。它是指某一组分它是指某一组分A A具有一系列性能,与另一组分具有一系列性能,与另一组分B B复合后,能使复合后,能使A A组分的大多数性能受到较大抑制
9、,而使其中组分的大多数性能受到较大抑制,而使其中某一项性能某一项性能在复在复合材料中合材料中突出突出地发挥。又称地发挥。又称强选择效应强选择效应。(4)共振效应)共振效应利用这种效应,可以根据外来的工作频率,改变复合材料固利用这种效应,可以根据外来的工作频率,改变复合材料固有频率而避免材料在工作时引起的破坏。对于吸波材料,同有频率而避免材料在工作时引起的破坏。对于吸波材料,同样可以根据外来波长的频率特征,调制复合材料频率,达到样可以根据外来波长的频率特征,调制复合材料频率,达到吸收外来波的目的。吸收外来波的目的。例如,有关领域例如,有关领域要求导电而不导热要求导电而不导热的材料,就是通的材料,
10、就是通过选择组元和复合状态,在保留导体组元导电性的过选择组元和复合状态,在保留导体组元导电性的同时,同时,抑制其导热性抑制其导热性而获得的特殊功能材料。而获得的特殊功能材料。共振效应在共振效应在阻尼减振和电磁波吸收复合材料阻尼减振和电磁波吸收复合材料的研究的研究和设计中获得利用。和设计中获得利用。4.2 4.2 材料的设计目标和设计类型材料的设计目标和设计类型4.2.1 4.2.1 材料的使用性能和设计目标材料的使用性能和设计目标力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能性能要求性能要求约束条件约束条件4.2.2 4.2.2 复合材料的设计类型复合材料的设计类型安全设计安全设计单项性能设
11、计单项性能设计等强度设计等强度设计等刚度设计等刚度设计优化设计优化设计u复合材料是一种结构材料复合材料是一种结构材料一次结构一次结构二次结构二次结构三次结构三次结构复合材料设计的基本步骤复合材料设计的基本步骤以确保结构的以确保结构的强度与刚度强度与刚度破坏过程损伤机理强度准则损伤及破坏分析温度场等应力场复合材料的响应设计变量的优化典型结构的宏观性能法试验力学方法代表性单元的性能考察细观力学方法有限元方法荷成型工艺及工艺过程优化的设计料几何形状选材要求基体材料增强材料潮湿环境热载荷机械载荷对外部环境与载荷的要求(1)明确设计条件明确设计条件:性能要求性能要求,载荷要求载荷要求,环境条件环境条件,
12、形状限制形状限制等。等。(2)材料设计:材料设计:原材料选择原材料选择,铺层性能确定铺层性能确定,复合复合 材料层合板的设计。材料层合板的设计。(3)结构设计结构设计:典型结构件(杆、梁、板、壳)的设典型结构件(杆、梁、板、壳)的设计等计等,以及复合材料,以及复合材料(衍梁、钢架)衍梁、钢架)的设计。的设计。结构设计的步骤:结构设计的步骤:结构所能承受的各种载荷,确保使用期内的安全结构所能承受的各种载荷,确保使用期内的安全对结构形状和尺寸的限制,提供附件的空间对结构形状和尺寸的限制,提供附件的空间 隔绝外界的环境状态而保护内部物体隔绝外界的环境状态而保护内部物体2.2.复合材料结构设计条件复合
13、材料结构设计条件(1 1)性能要求)性能要求结构的性能结构的性能飞机火箭、船飞机火箭、船舶、车辆舶、车辆结构质量结构质量化工装置化工装置耐腐蚀性耐腐蚀性雷达罩、天雷达罩、天线线电磁性能电磁性能防雷击防雷击飞行器飞行器例如,风扇叶片由于旋转式的惯性力将引起拉应力例如,风扇叶片由于旋转式的惯性力将引起拉应力(2 2)载荷情况)载荷情况静载荷动动载载荷荷l瞬时作用载荷瞬时作用载荷l冲击载荷冲击载荷l交变载荷交变载荷在在静载荷静载荷作用下结构应具有足够的作用下结构应具有足够的强度和强度和刚度刚度;在在冲击载荷冲击载荷下要求结构有一定的下要求结构有一定的韧性韧性;交变载荷交变载荷下要求结构有下要求结构有
14、耐疲劳性能耐疲劳性能。a力学条件力学条件:加速度、冲击、振动、声音等:加速度、冲击、振动、声音等b物理条件物理条件:压力、温度、湿度等:压力、温度、湿度等c气象条件气象条件:风雨、冰雹、日光等:风雨、冰雹、日光等d大气条件大气条件:放射线、霉菌、盐雾、风沙等:放射线、霉菌、盐雾、风沙等(3 3)环境条件环境条件影响结构的强度和刚度影响结构的影响结构的腐蚀、磨损、腐蚀、磨损、老化等老化等(4 4)结构的可靠性和经济性)结构的可靠性和经济性可靠性可靠性是指是指结构在所规定的使用寿命内,在给予的载荷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情况和环境条件下,充
15、分实现所预期的性能时结构正常正常工作的能力工作的能力,这种能力用一种概率来度量称为,这种能力用一种概率来度量称为可靠度可靠度。结构静强度可靠性结构静强度可靠性和和结构疲劳寿命可靠性。结构疲劳寿命可靠性。成本可靠性总成本初期成本维修成本总成本最低时的可靠性最为合理结构设计的合理性最终主要表现在可靠性和经济性两方面4.3.3 4.3.3 材料设计材料设计 原材料选择原材料选择 单层性能的确定单层性能的确定 层合板设计层合板设计4.3.3.14.3.3.1原材料选择原则原材料选择原则 比强度、比刚度高的原则比强度、比刚度高的原则 材料材料与结构的使用环境相适应的原则与结构的使用环境相适应的原则 满足
16、结构的满足结构的特殊性能要求特殊性能要求的原则的原则 满足满足工艺性工艺性要求的原则要求的原则 性价比高性价比高的原则的原则结构结构透波、吸波透波、吸波结构的结构的高刚度高刚度结构有结构有高的抗冲击性高的抗冲击性结构结构低温工作性能低温工作性能结构结构尺寸稳定性尺寸稳定性既既高强度又刚度高强度又刚度4.3.3.2 纤维选择E E或或S S玻璃纤维、开芙拉纤维、氧化玻璃纤维、开芙拉纤维、氧化铝纤维铝纤维高模量碳纤维或硼纤维高模量碳纤维或硼纤维玻璃纤维或开芙拉纤维玻璃纤维或开芙拉纤维碳纤维碳纤维开芙拉纤维开芙拉纤维或或碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维或或硼纤维硼纤维u按比强度、比刚度和性价比选取各种丝纤维
17、的比强度、比刚度、性价比和断裂伸长率E E玻璃玻璃纤维纤维S S玻璃玻璃纤维纤维芳纶纤芳纶纤维维4949氧化铝氧化铝纤维纤维硼纤维硼纤维碳化硅碳化硅纤维纤维碳纤维碳纤维T300T300碳纤维碳纤维T000T000比强度比强度0.670.671.041.041.91.90.350.351.641.640.980.981.741.743.93.9比模量比模量29.629.632.132.185.585.597.497.4161161135135130130162162强度价格强度价格比比-0.220.220.110.110.0070.0070.0130.0130.0150.0150.1530.15
18、3-模量价格模量价格比比-6.676.674.964.961.91.92.02.02.132.138.518.51-断裂应变断裂应变%2.432.433.253.252.232.230.360.360.880.880.730.731.331.332.42.44.3.3.3 基体选择 按使用环境条件选材按使用环境条件选材 按照所要求的性能选材按照所要求的性能选材 按制品的受力类型和作用方式选材按制品的受力类型和作用方式选材 按使用对象选材按使用对象选材 按用途分类选材按用途分类选材2.2.单层性能的确定单层性能的确定单层的刚度单层的刚度单层的强度单层的强度单层的三维应力应变关系单层的三维应力应变
19、关系正轴刚度正轴刚度偏轴刚度偏轴刚度弹性对称面1、2、3主方向u单层树脂含量的确定单层树脂含量的确定mmffffMMMV Mf分别为纤维、树脂的质量百分比;f,,m分别为纤维、树脂密度 Vf纤维体积含量 一般来讲纤维体积份数在一般来讲纤维体积份数在0.4-0.70.4-0.7 Vf太小,达不到增强基体的效果,反而因纤维的存在和断裂消弱了基体的强度 Vf太大,超过0.785后,对正方点阵排列纤维来说,彼此接触,对随机排列来说纤维密集,基体的粘结作用变得很差,材料脆性增大,断裂韧性明显下降单向排布连续纤维增强复合材料u单层板的刚度单层板的刚度工程弹性常数工程弹性常数预测公式预测公式说明说明纵向弹性
20、模量纵向弹性模量EL=EfVf+Em(1-Vf)此式基本上符合试验测定值此式基本上符合试验测定值横向弹性模量横向弹性模量ET=Ef Em/Em Vf+Ef(1-Vf)修正公式修正公式:1/E1/ET T=V=Vf f/E/Ef f+V Vm m/E/Em m V Vf f =V=Vf f/(V Vf f+f f V Vm m),V,Vm m=T T V Vm m/(V Vf f+T TV Vm m)纵向泊松比纵向泊松比 L=f Vf+m(1-Vf)此式基本上符合试验测定值此式基本上符合试验测定值横向泊松比横向泊松比 T=L ET/EL此式为工程弹性常数之间的关系此式为工程弹性常数之间的关系式式
21、面内剪切弹性面内剪切弹性模量模量GLT=Gm Gf/Gm Vf+Gf(1-Vf)修正公式:修正公式:1/G1/GTLTL=V Vf f/G Gf f+V Vm m/G/Gm m V Vf f =V Vf f /(V Vf f+LTLT V Vm m),V Vm m=LTLT V Vm m /(V Vf f+LTLT V Vm m)值由试验确定,对玻璃值由试验确定,对玻璃/环环氧氧 可取可取 0.50.5。)1(1111fmffmmffLmmffmmffLLLmmffLmmffVEVEVEVEEAAVAAVAAEAAEEEAAAPEELL纤维1121LL基体基体刚度的材料力学分析方法刚度的材料力
22、学分析方法E EL L的确定:的确定:混合率表达式与试验的吻合程度80-90%并联模型刚度的材料力学分析方法刚度的材料力学分析方法mffmmfTmmffTTmmffmmffmmffEVEVEEEEVEVEEEVEVWVWVWEE2222222222纤维221基体基体2WET的确定:串联模型与试验值相比,较小,由于纤维随机排列,兼有串联和并联的成分正交层的工程弹性常数公式正交层的工程弹性常数公式工程弹性常数工程弹性常数预测公式预测公式说明说明纵向弹性模量纵向弹性模量EL=k EL1 nL/(nL+nT)+ET2 nT/(nL+nT)将正交层看作两层单向层将正交层看作两层单向层的组合,即经线和纬线
23、分的组合,即经线和纬线分别作为单向层的组合。由别作为单向层的组合。由于织物不平直使计算值大于织物不平直使计算值大于实测值,故而采用小于于实测值,故而采用小于1 1的折减系数,称为波纹的折减系数,称为波纹影响系数影响系数横向弹性模量横向弹性模量ET=k EL2 nL/(nL+nT)+ET1 nT/(nL+nT)说明同上说明同上纵向泊松比纵向泊松比 L=L1 ET1(nL+nT)/(nL ET1+nT EL2)将正交层看作两层单向层将正交层看作两层单向层的组合,即经线和纬线分的组合,即经线和纬线分别作为单向层的组合。别作为单向层的组合。横向泊松比横向泊松比 T=L ET/EL采用正交各向异性材料的
24、采用正交各向异性材料的关系式关系式面内剪切弹性模面内剪切弹性模量量GLT=k GL1 T1 正交层的剪切模量与单向正交层的剪切模量与单向层的剪切模量是一样的,层的剪切模量是一样的,k k称为波纹影响系数称为波纹影响系数1.各向同性材料各向同性材料 塑性材料屈服极限塑性材料屈服极限s脆性材料强度极限脆性材料强度极限b2.正交各向异性单层正交各向异性单层Xt 纵向拉伸强度纵向拉伸强度Xc 纵向压缩强度纵向压缩强度Yt 横向拉伸强度横向拉伸强度Yc 横向压缩强度横向压缩强度S面内剪切强度面内剪切强度u单层的强度(3 3)强度的预测公式)强度的预测公式纵向拉伸强度公式:纵向拉伸强度公式:)1()1()
25、(maxmaxmaxfmffmfftVVVX)(maxffVV)(maxffVV fmax纤维最大拉伸应力;mmax基体最大拉伸应力(a)fmax基体应变等于纤维最大拉应变时应力 Vf 纤维体积含量;Vfmax强度由纤维控制的最小纤维体积含量maxmaxmaxmaxmaxmax)()(fmmffmmfVmax)(fmmaxm fmaxfmax基体控制纤维控制)1()(maxmaxmaxfmffCVVfmax)(fmmaxm)V1(fmaxmmaxC maxfVfVmaxffVVmaxffVV复合材料的强度(最大复合材料应力)作为纤维体积含量的函数给出复合材料的强度(最大复合材料应力)作为纤维体
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