關于復合材料設計清單
2018-11-14 12:00:25
作者：本網(wǎng)整理 來源：CAE技術(shù)聯(lián)盟
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1、復合材料的結(jié)構(gòu)設計基礎：
復合材料本身是非均質(zhì)、各向異性材料，因此，復合材料力學在經(jīng)典非均質(zhì)各向異性彈性力學基礎上得到迅速發(fā)展。
復合材料不僅是材料，更確切的說是結(jié)構(gòu)。
2、固體力學：一次結(jié)構(gòu)、二次結(jié)構(gòu)、三次結(jié)構(gòu)。
1）一次結(jié)構(gòu)是指由基體和增強材料復合而成的單層材料，其力學性能決定于組分材料的力學性能、相幾何（各相材料的形狀、分布、含量）和界面區(qū)的性能
2）二次結(jié)構(gòu)是指由單層材料層合而成的層合體，其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何（各單層的厚度、鋪設方向、鋪層序列）
3）三次結(jié)構(gòu)是指通常所說的工程結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，其力學性能決定于層合體的力學性能和結(jié)構(gòu)幾何。
3、復合材料的設計：
1）結(jié)構(gòu)設計：確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸；2）鋪層設計：對鋪層材料的鋪層方案做出合理安排，決定層合板性能；3）單層材料設計：正確選擇增強材料、基體材料及其配比，決定單層板的性能。
4、復合材料結(jié)構(gòu)設計過程
1）復合材料結(jié)構(gòu)設計是選用不同材料綜合各種設計（如層合板設計、典型結(jié)構(gòu)設計、連接設計等）的反復過程；
2）需考慮的一些主要因素：結(jié)構(gòu)質(zhì)量、研制成本、制造工藝、結(jié)構(gòu)鑒定、質(zhì)量控制、工裝模具的通用性、設計經(jīng)驗；
3）明確設計條件：如性能要求、載荷情況、環(huán)境條件、形狀限制等；
4）材料設計：包括原材料選擇、鋪層性能的確定、復合材料層合板的設計等；
5）結(jié)構(gòu)設計：包括復合材料典型結(jié)構(gòu)件（如桿、梁、板、殼等）的設計，以及復合材料結(jié)構(gòu)（如剛架、硬殼式結(jié)構(gòu)等）的設計。
5、復合材料結(jié)構(gòu)設計條件：
1）結(jié)構(gòu)性能要求：結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內(nèi)的安全；提供裝置各種配件、儀器等附件的空間。對結(jié)構(gòu)形狀和尺寸有一定限制；
2）載荷情況：靜載荷：指緩慢的由零增加到某一數(shù)值后就保持不變或變動的不顯著的載荷；動載荷：指能使構(gòu)件產(chǎn)生較大的加速度，并且不能忽略由此而產(chǎn)生的慣性力的載荷。
3）環(huán)境條件：力學條件：加速度、沖擊、振動、聲音等；物理條件：壓力、溫度、濕度等；氣象條件：風雨、冰雪、日光等；大氣條件：放射線、霉菌、鹽霧、風沙等。
4）結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟性。
6、材料設計：
1）材料設計，通常是指用幾種原材料組合成具有所要求性能的材料的過程；
2）材料設計包括原材料選擇、單層性能的確定和復合材料層合板設計；3）在此以聚合物基的復合材料的設計為例。
7、原材料的選擇與復合材料性能：
1）原材料選擇
原則比強度、比剛度高的原則材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應的原則滿足結(jié)構(gòu)特殊性要求的原則滿足工藝性要求的原則成本低、效益高的原則
2）纖維選擇
若結(jié)構(gòu)要求有良好的透波、吸波性能，則可選取E或S玻璃纖維、開芙拉纖維、氧化鋁纖維等作為增強材料。
若結(jié)構(gòu)要求有高的剛度，則可選用高模量碳纖維或硼纖維。
若結(jié)構(gòu)要求有高的抗沖擊性能，則可選用玻璃纖維、開芙拉纖維。
若結(jié)構(gòu)要求有很好的低溫工作性能，則可選用低溫下不脆化的碳纖維。
若結(jié)構(gòu)要求尺寸不隨溫度變化，則可選用開芙拉纖維或碳纖維。它們的熱膨脹系數(shù)可以為負值，可設計成零膨脹系數(shù)的復合材料。
若結(jié)構(gòu)要求既有較大強度又有較大剛度時，則可選用比強度和比剛度均較高的碳纖維或硼纖維。
3）樹脂的選擇
要求基體材料能在結(jié)構(gòu)使用溫度范圍內(nèi)正常工作。
要求基體材料具有一定的力學性能。
要求基體的斷裂伸長率大于或者接近纖維的斷裂伸長率，以確保充分發(fā)揮纖維的增強作用要求基體材料具有滿足使用要求的物理、化學性能要求具有一定的工藝性
8、單層性能的確定：
（1單層樹脂含量的確定；
（2剛度的預測；（3強度的預測。
9、結(jié)構(gòu)設計：
1）復合材料結(jié)構(gòu)一般采用按使用載荷設計、按設計載荷校核的方法。
2）按使用載荷設計時，采用使用載荷所對應的許用值稱為使用許用值，按設計載荷校核時，采用設計載荷所對應的許用值，稱為設計許用值。
3）復合材料失效準則只適用于復合材料的單層。在未規(guī)定使用某一失效準則時，一般采用蔡-胡失效準則，且正則化相互作用系數(shù)未規(guī)定時也采用-0.5。
5）有剛度要求的一般部位，材料彈性常數(shù)的數(shù)據(jù)可采用試驗數(shù)據(jù)和平均值，而有剛度要求的重要部位需要選取B 基準值。
10、其他因素熱應力：防腐蝕、防雷擊、抗沖擊。
11、復合材料設計舉例：
1）正交各向異性易碎復合材料層合板的設計：
易碎復合材料的工作機制要求它既具有一定的強度和剛度以承受給定的工作載荷，又能夠在一定的觸發(fā)條件下即刻斷裂美國發(fā)明的易碎式穿通蓋由多層玻璃纖維布浸漬環(huán)氧樹脂組成。它利用玻璃纖維只在經(jīng)線和緯線兩個方向上容易撕裂，而在其它方向上不易撕裂的特性，在薄膜上進行刻槽以達到撕裂線的控制。
玻璃纖維布在經(jīng)線和緯線兩個方向上比其它方向容易撕裂，但所需撕裂拉力差別并不大，這給易碎穿通蓋的工作可靠性帶來一定的影響
12、仿生材料的設計：
天然生物材料，如貝殼、骨和牙等生物礦化材料或蠶絲、蜘蛛絲等結(jié)構(gòu)蛋白，是生物體為了適應環(huán)境，經(jīng)歷億萬年的演變和進化形成的，其結(jié)構(gòu)和功能已達到近乎完美的程度，遠遠超出人們的想象。
受自然界生物啟發(fā)利用新穎的合成策略和源于自然的仿生原理來設計合成有機、無機、有機-無機雜化結(jié)構(gòu)材料和功能材料是近年來迅速崛起的研究領域
在眾多的天然生物材料中，貝殼珍珠層由于其獨特的結(jié)構(gòu)、極高的強度和良好的韌性而受到廣泛的關注，已成為制備輕質(zhì)高強超韌性層狀復合材料的模型結(jié)構(gòu)
材料仿生設計包括材料結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生和系統(tǒng)仿生3個方面。目前，對于仿生結(jié)構(gòu)材料的設計主要包括結(jié)構(gòu)組分的選擇優(yōu)化、幾何參數(shù)和界面性質(zhì)等。
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