【复合材料夹讲义层结构分析】.

复合材料夹层结构基本原理前言我国复合材料工业的发展起始于20世纪50年代，经过50余年的发展，由于“轻质高强”的优异性能，其应用领域已由最初的航空航天和国防业渗透到了当今国民经济的各个领域，如化工管罐，运动器材，汽车部件，建筑，船艇，轨道交通，风力发电叶片等等。

随着复合材料应用领域的扩展，产品的尺寸不断变大，夹层结构的应用也越来越广泛。

1 复合材料夹层结构基本原理复合材料夹层结构由强度很高的面层和强度较低的轻质夹芯材料组成，在弯曲荷载下，上下面层承担主要的拉应力和压应力，芯材主要承担剪切应力。

芯材的力学作用机理是连接面层使之成为整体构件，让薄而强的面层在承担较高拉压应力的同时不发生屈曲，并将剪切力从面层传向内层。

以面层厚度相等的单夹层结构在弯曲载荷作用下的响应为例，来说明夹层结构的基本原理。

1.1 面层和芯材的拉、压应力分布在弯曲载荷作用下，假设面层和芯材的界面没有损坏，即在界面处的变形是连续的，且材料处于线弹性范围内，则夹层结构产生的拉压应变分布如图1所示。

由于面层和芯材的弹性模量不同，所以其应力分布会发生突变，面层的拉、压应力远大于芯材的拉、压应力，如图2所示。

图2 截面拉、压应力分布根据材料力学梁的弯曲理论，根据夹层结构的几何数据和各部分材料的弹性模量可以算出结构的等效刚度（EI）eq，则面层和芯材部位产生的拉、压应力如下：（1）（2）式中，M：夹层结构承受的弯矩y：离中性轴的距离Ef：面层的弹性模量Ec：夹芯材料的弹性模量1.2 面层和芯材的剪应力分布根据材料力学梁的弯曲理论，夹层结构中的剪应力分布如图3所示。

图3 剪应力分布图4简化后的剪应力分布在工程实践中，为便于计算，可以对其进行线性简化，如图4所示。

那么剪应力可按下式进行简化计算：（3）（4）式中，Q：截面承受的剪力b：夹层结构梁的宽度c：芯材的高度1.3 面层和芯材的匹配从上面的分析可以看到，面层承担了大部分的拉、压力，芯材承担了大部分的剪力。

复合材料的复合结构类型在现代工业生产中，复合材料的使用越来越普及，随着科技的发展，人们的生活也越来越离不开复合材料。

复合材料的多种特性如轻量、高强度、耐腐蚀等使其在各个领域被广泛应用，在航空、汽车、建筑等许多领域中都有重大作用。

同时，复合材料还可以通过不同的复合结构类型来实现更为多样化的应用，下面我们将详细讲解。

1.层合板结构层合板结构是复合材料中最常见的一种复合结构类型，也是比较容易制造的一种结构。

该结构由两层纤维布或纱布之间加入一层粘合剂或树脂，通过压制或热固化后形成的结构。

层合板结构的加固性能非常好，而且容易制造成各种形状，广泛应用于航空、运动器材、建筑及交通工具等领域。

2.纺织材料结构纺织材料结构是一种立体编织材料，可按照具体的需求和应用加工成各种形状和大小的复合材料。

纺织材料结构由三维编织机器纵横交织而成，具有很好的柔韧性和抗拉强度，广泛应用于汽车、体育器材、军工、医疗等领域。

3.夹芯结构夹芯结构是一种双层面材料之间夹有一层轻质芯材的结构形式。

该类型结构强度较高，同时由于芯材的存在，且空气含量较高，导致整体材料的密度比同尺寸的实材料轻很多。

夹芯结构广泛应用于航空航天、机械、运动器材等领域。

4.缠绕结构缠绕结构是一种先将传统复合材料和含树脂材料制成螺旋状，之后缠绕在同一轴心线上。

然后通过真空或高压复合材料构成井字形或斜交结构等。

该类型结构制造难度较大，但强度和耐久性很好，广泛应用于防弹衣、制造航空航天装备等领域。

5.混合结构混合结构即由不同材料在不同位置组成的结构。

多种不同的纤维布、编织材料和芯材可按照需要组合形成，结合不同的组合形式形成的材料拥有不同的性能。

混合结构由于各种材料的优点互补，可获得超强和兼具多种性能的材料。

广泛应用于航空、运动器材、汽车、能源等领域。

综上所述，不同类型的复合结构对应各自的应用场景，复合材料在工业生产中的应用也愈加广泛和深入。

尤其是在金属材料替代领域发挥了重要作用，未来复合材料的应用前景一定更加广阔。

复合材料夹层结构分析复合材料夹层结构是指由两个或多个不同材料组成的结构，每个材料在夹层结构中的分布和相互作用对整个结构的性能起着重要的影响。

本文将从夹层结构的组成、分析方法和应用领域三个方面进行介绍，并重点探讨夹层结构的应力分析、强度计算和疲劳寿命预测等方面的问题。

夹层结构的组成可以有很多种形式，例如纤维增强复合材料夹层结构、金属-复合材料夹层结构、复合材料-塑料夹层结构等。

其中，纤维增强复合材料夹层结构是最常见的一种形式。

在纤维增强复合材料夹层结构中，一般由多层纤维增强复合材料板材和粘接剂层组成。

其中，板材是由纤维和基体材料复合而成的，粘接剂层用于将不同板材连接在一起。

夹层结构的分析方法可以通过有限元分析、理论分析和试验分析等途径进行。

其中，有限元分析是最常用的分析方法之一、有限元分析可以通过将夹层结构离散化成有限个小单元，然后利用数值方法求解得到夹层结构的应力、应变和变形等信息。

在进行有限元分析时，需要考虑夹层结构的几何形状、材料特性和加载方式等因素，并选择合适的有限元模型和边界条件。

夹层结构的应力分析是夹层结构分析的关键一步。

应力分析可以通过解析方法、数值方法和试验方法进行。

在解析方法中，常用的有层合板理论、三维理论和剥离理论等。

层合板理论是最常见和简化的一种方法，它假设夹层结构是一个薄板，在板厚方向上应力变化不大。

三维理论则考虑了夹层结构的厚度效应，可以更准确地描述夹层结构的应力分布。

而剥离理论则主要用于描述夹层结构在受剪力作用下的剥离破坏。

夹层结构的强度计算是夹层结构分析中的另一个重要内容。

强度计算可以通过解析方法和试验方法进行。

在解析方法中，常用的有杠杆平衡法、层合板理论和损伤力学等。

杠杆平衡法可以用于计算夹层结构的最大弯曲应力和最大剪应力等。

层合板理论可以用于计算夹层结构的最大应力和最大应变等。

而损伤力学则可以用于描述夹层结构的疲劳寿命和损伤演化过程等。

夹层结构的疲劳寿命预测是夹层结构分析的重要内容之一、疲劳寿命预测可以通过数值模拟和试验验证相结合的方法进行。

复合材料结构分析总结说明：整理自Simwe论坛，复合材料版块，原创fea_stud，大家要感谢他呀目录1# 复合材料结构分析总结（一）——概述篇5# 复合材料结构分析总结（二）——建模篇10# 复合材料结构分析总结（三）——分析篇13# 复合材料结构分析总结（四）——优化篇做了一年多的复合材料压力容器的分析工作，也积累了一些分析经验，到了总结的时候了，回想起来，总最初采用I-deas，到MSC.Patran、Nastran，到最后选定Ansys为自己的分析工具，确实有一些东西值得和大家分享，与从事复合材料结构分析的朋友门共同探讨。

（一）概述篇复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成，其主要优点是具有优异的材料性能，在工程应用中典型的一种复合材料为纤维增强复合材料，这种材料的特性表现为正交各向异性，对于这种材料的模拟，很多的程序都提供了一些处理方法，在I-Deas、Nastran、Ansys中都有相应的处理方法。

笔者最初是用I-Deas下建立各项异性材料结合三维实体结构单元来模拟（由于研究对象是厚壁容器，不宜采用壳单元），分析结果还是非常好的，而且I-Deas强大的建模功能，但由于课题要求要进行压力容器的优化分析，而且必须要自己写优化程序，I-Deas的二次开发功能开放性不是很强，所以改为MSC.Patran，Patran 提供了一种非常好的二次开发编程语言PCL（以后在MSC的版中专门给大家贴出这部分内容），采用Patran结合Nastran的分析环境，建立了基于正交各项异性和各项异性两种分析模型，但最终发现，在得到的最后结果中，复合材料层之间的应力结果始终不合理，而模型是没有问题的（因为在I-Deas中，相同的模型结果是合理的），于是最后转向Ansys，刚开始接触Ansys，真有相见恨晚的感觉，丰富的单元库，开放的二次开发环境（APDL 语言），下面就重点写Ansys的内容。

在ANSYS程序中，可以通过各项异性单元（Solid 64）来模拟，另外还专门提供了一类层合单元（Layer Elements）来模拟层合结构（Shell 99, Shell 91, Shell 181, Solid 46 和Solid 191）的复合材料。

复合材料的多层结构设计与分析在当今的材料科学领域，复合材料以其优异的性能和广泛的应用而备受关注。

其中，复合材料的多层结构设计更是为满足各种复杂工程需求提供了创新的解决方案。

复合材料的多层结构，简单来说，就是将不同材料、不同性能的层按照特定的顺序和方式组合在一起，以实现单一材料无法达到的综合性能。

这种设计理念的出现，源于对材料性能多样化和高性能化的追求。

多层结构设计的优势众多。

首先，它能够实现性能的优化组合。

例如，一层可以提供高强度，另一层可以提供良好的耐腐蚀性，还有一层可以具备出色的隔热性能。

通过合理的层间设计和排列，使复合材料在不同的环境和工况下都能发挥出最佳性能。

其次，多层结构有助于提高材料的可靠性和稳定性。

当一层出现局部损伤时，其他层可以起到支撑和补偿的作用，从而延长材料的使用寿命。

再者，多层结构还能实现功能的集成。

比如，在航空航天领域，既需要结构材料具备高强度，又需要具备电磁屏蔽等功能，多层结构的设计就能很好地满足这些需求。

在多层结构的设计中，材料的选择至关重要。

常用的复合材料包括纤维增强复合材料、聚合物基复合材料、金属基复合材料等。

纤维增强复合材料，如碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料，因其高强度和高模量而广泛应用。

聚合物基复合材料具有良好的耐腐蚀性和成型性能。

金属基复合材料则在高温和高强度应用中表现出色。

层间结合方式也是多层结构设计的关键因素之一。

常见的结合方式有胶接、焊接、机械连接等。

胶接具有操作简便、成本低的优点，但结合强度相对较低。

焊接能够实现较高的结合强度，但对工艺要求较高。

机械连接则在可拆卸和维修方便方面具有优势，但会增加结构的重量和复杂性。

设计多层结构时，还需要考虑层厚和层数的选择。

层厚过薄可能导致制造难度增加和性能不稳定；层厚过厚则可能影响层间的协同作用。

层数的多少则取决于具体的性能需求和制造工艺的可行性。

此外，环境因素也对多层结构的设计产生重要影响。

不同的工作环境，如高温、低温、潮湿、腐蚀等，要求材料具备相应的耐受能力。

复合材料夹层结构分析复合材料夹层结构是一种由两层或多层材料组成的结构，其中不同材料层通过层间粘接或焊接等工艺相连。

它的结构设计旨在充分发挥各种材料的优势，使夹层结构具有较高的性能和应用价值。

在实际应用中，夹层结构广泛用于航空航天、汽车、建筑等领域。

夹层结构的优势主要体现在以下几个方面：1.强度和刚度优势：夹层结构中的不同层材料可以互相补充，使整个结构具有更高的强度和刚度。

例如，夹层结构可以利用高强度纤维增强聚合物复合材料作为外层，在保证较高强度的同时，通过内层材料的增韧作用提高结构的韧性。

2.轻量化优势：夹层结构可以有效减轻整体结构的重量。

由于复合材料的密度较小且具有较高的强度，可以使用薄而轻的复合材料构成夹层结构，从而达到减轻结构重量的目的。

这对于提高载重能力、降低能耗和提高运行效率具有重要意义。

3.抗疲劳和耐久性优势：夹层结构在使用过程中具有较好的抗疲劳和耐久性能。

由于夹层结构中的不同材料层具有不同的性能，使整个结构具有更好的抗疲劳和耐久性能。

例如，夹层结构可以利用耐磨材料作为外层，使结构表面具有更好的耐磨性，提高结构的使用寿命。

4.导热和绝缘性优势：夹层结构中的不同层材料可以起到隔热和隔热的作用。

例如，夹层结构可以利用导热性能较好的材料作为内层，阻止热量向外传导；同时利用导热性能较差的材料作为外层，防止外界热量传入结构中，从而达到保温的目的。

5.吸音和隔音优势：夹层结构中的不同层材料可以起到吸音和隔音的作用。

例如，在建筑领域中，夹层结构可以利用吸音性能较好的材料作为内层，增加结构对声音的吸收；同时利用密度较大的材料作为外层，阻止声音的传播，提高结构的隔音效果。

然而，夹层结构也存在一些挑战和问题。

首先，夹层结构的设计和制造要求较高，需要考虑不同材料层之间的界面粘接强度、尺寸匹配等问题；其次，夹层结构在使用过程中可能存在层间剥离、破裂等问题，需要进行结构损伤评估和修复；最后，夹层结构的成本较高，需要考虑材料选择、制造工艺等问题，以提高经济性。

Ansys复合材料结构分析操作指导书Ansys10.0 复合材料结构分析操作指导书第⼀章概述复合材料是两种或两种以上物理或化学性质不同的材料复合在⼀起⽽形成的⼀种多相固体材料，具有很⾼的⽐刚度和⽐强度（刚度和强度与密度的⽐值），因⽽应⽤相当⼴泛，其应⽤即涉及航空、航天等⾼科技领域，也包括游艇、风电叶⽚等诸多民⽤领域。

由于复合材料结构复杂，材料性质特殊，对其结构进⾏分析需要借助数值模拟的⽅法，众多数值模拟软件中Ansys是个不错的选择。

Ansys软件由美国ANSYS公司开发，是⽬前世界上唯⼀⼀款通过ISO9001质量体系认证的分析设计软件，有着近40年的发展历史，经过多次升级和收购其它CAE(Computer Aided Engineering )软件，⽬前已经发展成集结构⼒学、流体⼒学、电磁学、声学和热学分析于⼀体的⼤型通⽤有限元分析软件，是⼀款不可多得的⼯程分析软件。

Ansys在做复合材料结构分析⽅⾯也有不俗的表现，此书将介绍如何使⽤该款软件进⾏复合材料结构分析。

在开始之前有以下⼏点需要说明，希望⼤家能对有限元法有⼤体的认识，以及Ansys软件有哪些改进，最后给出⼀些学习Ansys软件的建议。

1、有限元分析⽅法应⽤简介有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是建⽴在严格数学分析理论上的⼀种数值分析⽅法。

该⽅法的基本思想是离散化模型，将求解⽬标离散成有限个单元(Element)，并在每个单元上指定有限个节点(Node)，单元通过节点相连构成整个有限元模型，⽤该模型代替实际结构进⾏结构分析。

在对结构离散后，要求解的基本未知量就转变为各个节点位移(Ansys中称之为DOF(Degree Of Freedom)，试想⼀下，节点的位移包括沿x,y,z轴的平动和转动，也就是节点的⾃由度)，节点位移通过求解⼀系列代数⽅程组得到，在求得节点位移后，利⽤节点位移和应⼒、应变之间的关系矩阵就可以求出各个节点上的应⼒、应变，应⽤线性插值便可以获得单元内任意位置的位移、应⼒、应变等信息。

复合材料实验讲义精编WORD版
每题实验内容及其原理
一、实验综述
二、实验前准备
1、复合材料的分类
复合材料的分类被划分为：复合材料、半复合材料和发药复合材料。

其中，复合材料是指由几种材料组成的结构体，它们共同起关键作用，并具有更加出色的性能与功能；半复合材料是指材料的两部分结构，其中一部分是复合材料的一部分，另外一部分材料使得整体结构更加稳定，从而改善复合材料的性能；而发药复合材料则是通过在复合材料中添加发药剂来增强材料的特性，使其更加有效地使用。

2、实验材料
实验讲义中用到的材料有：复合材料，其中包括玻璃纤维、碳纤维、树脂基复合材料；半复合材料材料包括铝合金土耳其基复合材料、钢筋混凝土基复合材料；发药复合材料材料包括复合多分子复合材料、镀锌复合材料。

三、实验过程
1、测定复合材料的力学性能
使用三轴试验仪测定复合材料的力学性能，根据实际测试要求调整试验参数，观察变形、应力变化趋势。

夹层复合材料结构与失效机制夹层复合材料是由两层不同材料组成的结构，中间通过粘合剂粘合在一起。

它具有很高的强度和刚度，同时具备较低的重量。

夹层复合材料被广泛应用于航空航天、汽车工业和建筑领域等。

夹层复合材料的结构通常由外层材料、粘合剂和内层材料组成。

外层材料一般是高强度、高刚度的纤维增强复合材料，如碳纤维增强聚合物。

内层材料则可以是轻质材料，如泡沫塑料或铝合金。

粘合剂的选择非常关键，它能够提供夹层结构的强度和刚度。

夹层复合材料的失效机制主要包括剪切失效、剥离失效和层间剪切失效。

剪切失效是指外层和内层材料之间的剪切应力超过材料的强度极限，导致复合材料出现破坏。

剥离失效是指粘合剂与外层或内层材料之间的粘结强度不足，导致粘合剂与材料分离。

层间剪切失效是指在复合材料的层间产生剪切力，导致层间的失效。

在夹层复合材料的设计和制造过程中，需要考虑以下几个因素来提高结构的强度和耐久性。

首先，选择合适的外层和内层材料，使它们具备良好的力学性能和耐腐蚀性能。

其次，选择合适的粘合剂，确保粘合剂与材料之间具有良好的粘结强度。

第三，对结构进行合理的设计，避免应力集中和缺陷的产生。

最后，在制造过程中，需要严格控制工艺参数，确保夹层复合材料的质量稳定。

夹层复合材料在航空航天领域中的应用非常广泛。

例如，飞机的机翼和机身通常采用夹层复合材料结构，以提高飞机的性能和燃油效率。

在汽车工业中，夹层复合材料被用于制造车身和车门等零部件，以提高汽车的安全性和节能性。

在建筑领域，夹层复合材料被用于制造外墙板和屋顶材料，以提高建筑物的抗风性能和隔热性能。

夹层复合材料具有很高的强度和刚度，在航空航天、汽车工业和建筑领域有着广泛的应用。

夹层复合材料的结构和失效机制对于设计和制造过程非常重要，需要合理选择材料、粘合剂和工艺参数，以提高结构的性能和耐久性。

夹层复合材料的应用将为各个领域带来更加先进和高效的解决方案。