一、复合材料的定义与构造特点

 1）复合材料的定义

    复合材料——由两个或两个以上独立的物理相（粘结材料和颗粒、纤维或片状材料）所组成的一种固体产物。

                定义中说的物理相，可以是连续的，也可以是不连续的。连续相称为基体材料；不连续相（分散相）称为增强材料。

    增强材料——起承受载荷的作用，主要提供复合材料的力学性能，其几何形式有长纤维、短纤维和颗粒状物等多种；

    基体材料——起着粘结、支撑、保护增强材料和传递应力的作用，主要提供复合材料的物理、化学性能，常采用橡胶、石墨、树脂、金属和陶瓷等。

 2）复合材料的主要特点

    1）复合材料的性能具有可设计性

    2）材料和结构具有同一性

    3）复合材料结构设计包含材料设计

    4）材料性能对复合工艺的依赖性

    5）复合材料具有各向异性和非均质性

 3）复合材料的构造特点

   复合材料与其说是材料，不如说是结构更确切。因此复合材料结构可分为

   三个结构层次：

   单层板（一次结构）

   层合板（二次结构）

   工程结构（三次结构）

 4）复合材料结构设计特点

   复合材料结构设计也分为三个层次：

   单层设计——正确选择増强材料和基体，确定组分比。

   （单层材料性能设计）

   层合板设计——确定单层层数、铺设方向和铺设顺序。

   （铺层设计，或层合板性能设计）

   结构设计——根据结构安全性计算分析确定结构尺寸和壁厚

二、复合材料结构设计基本方法

 1）复合材料产品设计过程

 2）复合材料产品设计的内容

   ◆性能（材料）设计

     根据产品的技术要求和使用条件，对组分材料进行选择、对复合材料的性能（包括力学性能、物理性能、化学性能等）进行设计。具体的内容包括增强材料、基体材料、功能辅助材料的选择；组分比设计；铺层设计等。（一次结构和二次结构设计）

   ◆结构设计（三次结构设计）

     根据载荷、介质、环境条件，结合工艺与材料性能，通过计算分析与强度、刚度、稳定性校核，设计出不使产品发生破坏和过大变形的产品尺寸，既确保安全，又减少材料消耗。

   ◆工艺设计

     针对产品的特点、性能要求和数量，选择合适的成型工艺方法，使该产品不仅成型方便、质量稳定，而且成本较低。

    在产品设计过程中，以上三个方面相互关联，是一个有机的整体，必须同时进行。在材料设计时要考虑到其工艺性，结构设计中包含了材料设计，材料与结构往往在同一工艺过程中一次成型。

 3）复合材料结构设计基本方法

 A）结构计算方法

   ◆解析法（按设计标准进行设计）

     考虑到材料的各向异性，通过适当的简化，采用材料力学、结构力学、板壳力学的方法，或者完全复合材料力学方法，计算结构的受力与变形情况，从而确定结构的壁厚尺寸。

     该方法简便，易被工程界所接受。目前一些标准化的复合材料产品，其设计标准都是采用这种方法。但是，对于有些结构复杂的产品或异形结构产品，很难对产品结构进行整体计算分析。

   ◆数值分析法（计算机辅助结构设计）

     随着计算机科学以及计算力学的发展，采用有限元数值分析方法对复合材料结构进行计算分析，已逐步引起人们的重视，且已用于复合材料结构设计中。该方法根据产品结构的形状、载荷与支承条件建立有限元分析模型，利用商用计算软件对产品结构进行整体计算，可得到产品结构的应力与变形分布，不需做过多的假设，不受产品形状限制。

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 B）结构安全性判断

其中：

  工作应力——在外力标准确定后，用结构计算方法求解得到

  极限强度——根据使用环境下的材料试验或结构试验确定

   ▶以材料的破坏强度为基准进行设计时，极限强度就是材料的破坏强度。

   ▶以结构的刚度或稳定性（屈曲）作为设计基准时，“极限强度”可以是结构的最大变形、极限应变或屈曲压力（应力）。

   安全系数——根据外力条件、成型条件、设计条件等因素确定

   我国目前进行玻璃钢结构设计时，若用静态特性作为强度极限，其强度安全系数通常按下面情况取值：

   刚度（稳定性）安全系数则取值较小，约为强度安全系数的60%~70%

三、复合材料单层设计与厚度计算

    单层是复合材料的基本结构单元，主要由增强材料（纤维）和基体材料（树脂）组成。

    1）反映组份比的两个重要参数

    2）单层材料性能设计

    复合材料的性能是组份材料性能以及组份比的函数：

   【例1】玻璃纤维增强树脂基复合材料，若已知纤维体积分数分别为0.3和0.5，估算复合材料的密度。

   【例2】玻璃纤维增强树脂基复合材料，若已知树脂含量（基体质量分数）分别为0.35（缠绕）、0.53（手糊）和0.7（喷射），估算复合材料的密度。

    B）复合材料单层的弹性常数设计（薄片模型）

   【例4】计算CFRP单向板弹性常数随纤维体积分数的变化。

   3）复合材料单层厚度计算

   【例5】采用300克的玻璃纤维方格布和不饱和聚酯树脂制作5mm厚的FRP板材，含胶量控制在50%-52%之间，需要铺多少层？

   【例6】采用300克的碳纤维布和不饱和聚酯树脂制作5mm厚的CFRP板材，含胶量控制在50%-52%之间，需要铺多少层？

   4）环向缠绕层和交叉缠绕层厚度计算

    A）环向缠绕单层的厚度

   工艺参数：

   缠绕纱规格：Tex (g/km)

   容器直径：D (m)

   纱片宽度：b (m)

   纱片纤维束数：N （束）

   含胶量：Wm

   纤维密度：ρf (kg/m3)

   树脂密度：ρm(kg/m3)

   【例7】已知：玻璃纤维纱：Tex2400 (g/km)；容器直径：D=3m；

   纱片宽度：b=0.2m；纱片纤维束数：N=40束；

   含胶量：Wm=35%；纤维密度：ρf=2540kg/m3；

   树脂密度：ρm=1200kg/m3

   试确定复合材料容器环向缠绕角，并计算环向缠绕单层的厚度。

   B）交叉缠绕层的厚度

   工艺参数：

   缠绕纱规格：Tex (g/km)

   交叉缠绕角：±α

   纱片宽度：b (m)

   纱片纤维束数：N （束）

   含胶量：Wm

   纤维密度：ρf (kg/m3)

   树脂密度：ρm(kg/m3)

   【例8】已知：玻璃纤维纱：Tex2400 (g/km)；交叉缠绕角：α=±55°；

   纱片宽度：b=0.2m；纱片纤维束数：N=40束；

   含胶量：Wm=35%；纤维密度：ρf=2540kg/m3；

   树脂密度：ρm=1200kg/m3

   试计算交叉缠绕层的厚度。

四、复合材料层合板设计一般原则

    层合板设计的一般原则：

   1）对称铺设

      对称层合板：中面两侧对称的各单层材料相同，铺设角相同。

   2）铺层取向按承载选取

      纤维铺设方向与载荷方向一致；如有面内剪切载荷，应增加±45铺层。若载荷方向不定，可采用准各向同性铺设。

   3）铺层定向

   4）铺设顺序

      避免将角度相同的单层集中铺设。

   5）铺层最小比例

      每一种角度的铺层比例不能低于10%。