第五章_复合材料的结构设计基础.ppt

第五章 复合材料的结构设计基础 (1)层合板设计的一般原则 层合板设计时目前一般遵循如下设计原则。 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。如果需要设计成准各向同性的层台板，除了用[0／45／90／- 45]s层合板外，为了减少定向数，还可采用[60／0／- 60]s层合板。 第五章 复合材料的结构设计基础 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 °向成对铺设；如果承受双轴向载荷，则铺层按受载方内0 ° ，90 ° 正交铺设；如果承受多种载荷，则铺层按0 ° ，90 ° ， ⊥ 45 ° 多向铺设。 第五章 复合材料的结构设计基础 （a） （b） 第五章 复合材料的结构设计基础 (c) (d) 第五章 复合材料的结构设计基础 ④铺层最小比例原则 为了避免基体承载，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，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0 °，90 °，⊥45°铺层，应尽量使⊥45°层之间用0°或90°层隔开，也尽量使0°，90°层之间用+45°或-45°层隔开，以降低层间应力。 第五章 复合材料的结构设计基础 ⑥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。 第五章 复合材料的结构设计基础 (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。等代设计法，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，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，也可设计成非准各向同性的。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。 第五章 复合材料的结构设计基础 等代设计中供选择参考的层台板结构形式 第五章 复合材料的结构设计基础 (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，后两者认为单独强度可叠加成复杂应力强度，因而在复杂应力状态下是不够合理的。而层合板排序设计法是在复杂应力状态下按复杂应力状态求其强度的。因此，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。 第五章 复合材料的结构设计基础 5.4 结构设计 复合材料结构设计除了具有包含材料设计内容的特点外，就结构设计本身而言，无论在设计原则、工艺性要求、许用值与安全系数确定、设计方法和考虑的各种因素方面都有其自身的特点。一般不完全沿用金属结构的设计方法。 第五章 复合材料的结构设计基础 1．结构设计的一般原则 复合材料结构设计的一般原则，除已经讨论过的层合板设计原则外，尚需要遵循满足强度和刚度的原则。满足结构的强度和刚度是结构设计的基本任务之一。复合材料结构与