复合材料概论第5章聚合物基复合材料.ppt

5.2 聚合物基复合材料的结构设计 ☆材料设计是指根据对材料性能的要求而进行的材料获得方法与工程途径的规划。 ☆对设计一词的传统解释为：进行某项制作或工程以前，根据该项目的使用目的和性能要求，拟定其材料、结构、工艺、用地、进度、费用等各方面的计划和估算。 ⊙复合材料设计是通过改变原材料体系、比例、配置和复合工艺类型及参数，来改变复合材料的性能，特别是使其具有各向异性，从而适应在不同位置、不同方向和不同环境条件下的使用要求。 ⊙复合材料的可设计性赋予了结构设计者更大的自由度，从而有可能设计出能够充分发掘与应用材料潜力的优化结构。 复合材料结构设计的综合过程大致分为三个步骤 (1)明确设计条件。如性能要求、载荷情况、环境条件、形状限制等。 (2)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。 (3)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(如衍架、刚架、硬壳式结构等)的设计。 在上述材料设计和结构设汁中都涉及到应变、应力与变形分析，以及失效分析，以确保结构的强度与刚度。 复合材料结构往往是材料与结构一次成型的，且材料也具有可设计性。不同于常规的金属结构设计，它是包含材料设计和结构设计在内的一种新的结构设计方法，比金属结构设计要复杂。 在复合材料结构设计时，可以从材料与结构两方面进行考虑，以满足各种设计要求、尤其是材料的可设计性，可使复合材料结构达到优化设计的目的。 在结构设计中，首先应明确设计条件，即根据使用目的提出性能要求、载荷情况、环境条件及受几何形状和尺寸大小的限制等，这些往往是设计任务书的内容。 （1）结构性能要求 一般来说，体现结构性能的主要内容有：①结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全；②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的限制；③隔绝外界的环境状态而保护内部物体。 （2）载荷情况 结构承载分为静载荷和动载荷 静载荷：缓慢的由零增加到某一数值以后就保持不变或变动不显著的载荷； 动载荷：能够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。 在静载荷的作用下结构一般应设计成具有抵抗破坏和抵抗变形的能力，即具有足够的强度和刚度。 在动载荷的作用下结构一般应设计成具有抵抗冲击、耐疲劳来设计结构 （3）环境条件 一般在设计结构时，应明确的确定结构的使用目的，要求完成的使命，且还有必要明确它在保管、包装、运输等整个使用期间的环境条件，以及这些过程的时间和往返次数等，以确保在这些环境条件下结构的正常使用。为此，必须充分考虑各种可能的环境条件。一般为下列四种环境条件： （a）力学条件：加速度、冲击、振动、声音等； （b）物理条件：压力、温度、湿度等； （c）气象条件：风雨、冰雪、日光等； （d）大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等。 分析各种环境条件下的作用与了解复合材料在各种环境条件下的性能，对于正确进行结构设计是很有必要的，除此之外，还应从长期使用角度出发，积累复合材料的变质、磨损、老化等长期性能变化的数据。 (4)结构的可靠性与经济性 所谓结构的可靠性，是指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正常工作的能力，这种能力用一种概率来度量称为结构的可靠度。 结构强度最终取决于构成这种结构的材料强度，所以欲确定结构的可靠度，必须对材料特性作统计处理，整理出它们的性能分布和分散性资料。 结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性两方面。一般来说，要提高可靠性就得增加初期成本，而维修成本是随可靠性的增加而降低的，所以总成本最低时（即经济性最要好）的可靠性为最合理。 5.2.2 材料设计 材料设计，通常是指选用几种原材料组成具有所要求性能的材料的过程。 由于不同构件的功能不同，因此对于组成构件的材料的性能要求也不同，同时，所采用的材料还受到相应约束条件的限制。 ★对所采用材料的约束条件 ☆对所采用材料的约束条件包括： 资源、能耗、环保、成本、生产周期、寿命、使用条件（温度、气氛、载荷性质、所接触的介质等）。 一、原材料的选择原则 （1）比强度、比刚度高原则 在满足强度、刚度、耐久性和损伤容限等要求的前提下，应使结构质量最轻。 （2）材料与结构的使用环境相适应的原则 通常要求材料的主要性能在结构整个使用环境条件下，其下降幅值应不大于10%。 （3）满足结构特殊性要求的原则 除了结构刚度和强度意外，许多结构物还要求有一些特殊性能。通常为满足这些特殊性要求，要着重考虑合理的选取基体材料。 （