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关于复合材料设计清单

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1、复合材料的结构设计基础:

复合材料本身是非均质、各向异性材料,因此,复合材料力学在经典非均质各向异性弹性力学基础上得到迅速发展。

复合材料不仅是材料,更确切的说是结构。


2、固体力学:一次结构、二次结构、三次结构。

1)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

2)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)

3)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。


3、复合材料的设计:

1)结构设计:确定产品结构的形状和尺寸;

2)铺层设计:对铺层材料的铺层方案做出合理安排,决定层合板性能;

3)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。


4、复合材料结构设计过程

1)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、典型结构设计、连接设计等)的反复过程;

2)需考虑的一些主要因素: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、设计经验;

3)明确设计条件:如性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制等;

4)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;

5)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(如刚架、硬壳式结构等)的设计。


5、复合材料结构设计条件:

1)结构性能要求:结构所能承受的各种载荷,确保在使用寿命内的安全;

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限制;

2)载荷情况:静载荷:指缓慢的由零增加到某一数值后就保持不变或变动的不显著的载荷;

动载荷:指能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。

3)环境条件:力学条件:加速度、冲击、振动、声音等;物理条件:压力、温度、湿度等;

气象条件:风雨、冰雪、日光等;大气条件:放射线、霉菌、盐雾、风沙等。

4)结构的可靠性与经济性。


6、材料设计:1)材料设计,通常是指用几种原材料组合成具有所要求性能的材料的过程;

2)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;

3)在此以聚合物基的复合材料的设计为例。


7、原材料的选择与复合材料性能:

1)原材料选择原则

比强度、比刚度高的原则

材料与结构的使用环境相适应的原则

满足结构特殊性要求的原则

满足工艺性要求的原则

成本低、效益高的原则


2)纤维选择

若结构要求有良好的透波、吸波性能,则可选取E或S玻璃纤维、开芙拉纤维、氧化铝纤维等作为增强材料。

若结构要求有高的刚度,则可选用高模量碳纤维或硼纤维。

若结构要求有高的抗冲击性能,则可选用玻璃纤维、开芙拉纤维。

若结构要求有很好的低温工作性能,则可选用低温下不脆化的碳纤维。

若结构要求尺寸不随温度变化,则可选用开芙拉纤维或碳纤维。它们的热膨胀系数可以为负值,可设计成零膨胀系数的复合材料。

若结构要求既有较大强度又有较大刚度时,则可选用比强度和比刚度均较高的碳纤维或硼纤维。


3)树脂的选择

要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作。

要求基体材料具有一定的力学性能。

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

要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能

要求具有一定的工艺性


8、单层性能的确定:(1单层树脂含量的确定;(2刚度的预测;(3强度的预测。


9、结构设计:

1)复合材料结构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。

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-胡失效准则,且正则化相互作用系数未规定时也采用-0.5。

5)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。


10、其他因素热应力:防腐蚀、防雷击、抗冲击。


11、复合材料设计举例:

1)正交各向异性易碎复合材料层合板的设计:

易碎复合材料的工作机制要求它既具有一定的强度和刚度以承受给定的工作载荷,又能够在一定的触发条件下即刻断裂

美国发明的易碎式穿通盖由多层玻璃纤维布浸渍环氧树脂组成。它利用玻璃纤维只在经线和纬线两个方向上容易撕裂,而在其它方向上不易撕裂的特性,在薄膜上进行刻槽以达到撕裂线的控制。

玻璃纤维布在经线和纬线两个方向上比其它方向容易撕裂,但所需撕裂拉力差别并不大,这给易碎穿通盖的工作可靠性带来一定的影响


12、仿生材料的设计:

天然生物材料,如贝壳、骨和牙等生物矿化材料或蚕丝、蜘蛛丝等结构蛋白,是生物体为了适应环境,经历亿万年的演变和进化形成的,其结构和功能已达到近乎完美的程度,远远超出人们的想象。

受自然界生物启发利用新颖的合成策略和源于自然的仿生原理来设计合成有机、无机、有机-无机杂化结构材料和功能材料是近年来迅速崛起的研究领域

在众多的天然生物材料中,贝壳珍珠层由于其独特的结构、极高的强度和良好的韧性而受到广泛的关注,已成为制备轻质高强超韧性层状复合材料的模型结构


材料仿生设计包括材料结构仿生、功能仿生和系统仿生3个方面。目前,对于仿生结构材料的设计主要包括结构组分的选择优化、几何参数和界面性质等。


2018年11月22日 16:14
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