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复合材料的结构与强度复合材料（Composite Materials）是指由两种或两种以上不同性质的材料组合而成的新型材料。
它可以充分发挥各种材料的优点，兼顾不同材料的性能要求，从而具备了独特的结构和强度特点。
本文将从复合材料的构成和制备方法、结构、以及其强度方面进行论述。
一、复合材料的构成和制备复合材料通常由纤维增强体和基体两部分组成。
纤维增强体可以是玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等，负责承担载荷；基体则起到支撑和保护纤维的作用，可以是塑料、金属等。
通过将纤维和基体有机地结合在一起，复合材料能够充分利用各个组分的特性，实现性能优异的结构。
制备复合材料的方法主要有层叠法、注塑法和浸渍法等。
层叠法是将纤维和基体逐层叠加，然后进行热压或过热固化，使其形成坚固的结构；注塑法是将纤维与基体混合，然后通过注射或挤出塑料使其形成所需的形状；浸渍法则是将纤维浸泡在基体中，使其充分渗透，然后进行固化。
二、复合材料的结构复合材料的结构可以分为纤维增强体的排列方式和纤维方向两个方面。
纤维增强体的排列方式包括单向排列、交叉排列和随机排列。
单向排列是指纤维沿一个方向进行排列，能够承受沿该方向的载荷最大；交叉排列是指纤维交错穿插在基体中，能够均匀承受载荷；随机排列是指纤维随机分布在基体中，能够增加材料的韧性。
纤维方向是指纤维在基体中的方向分布。
单向纤维材料具有明显的各向异性，只能在纤维方向上承受较大的载荷；而交叉纤维材料因为纤维方向的交叉，可以在多个方向上均匀分布载荷，具有较好的综合性能。
三、复合材料的强度复合材料相对于传统材料具有较高的强度和刚度。
这主要得益于纤维的增强作用和基体的支撑作用。
纤维增强体能够增强材料的强度，使其能够承受较大的拉伸或压缩力。
不同类型的纤维具有不同的优点，如玻璃纤维具有较高的强度和刚度，碳纤维具有轻质且高强度等，通过选择不同的纤维可以得到适用于不同工程领域的复合材料。
基体的作用是支撑纤维，为纤维提供保护。
多层级复合材料点阵结构的力学性能
吴林志1殷莎2
1哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所
2北京航空航天大学材料学院
基于多层级构造思想，发展了拉伸或弯曲主导构型在不同尺度上混合的多层级结构，分别为宏-细观尺度上的拉-拉及拉-弯混合型两类多层级复合材料点阵结构，并提出了相应的制备方法。
对这些结构的压缩效率进行评估，发现这两类多层级结构与优化后的空心金字塔型复合材料点阵结构效率相当，且优于其它易屈曲的低阶多孔芯材。
分析了不同尺度结构构型对多层级结构性能的影响，发现对于经过优化设计的多级结构，宏观尺度结构拓扑构型的效率直接决定了多层级结构的效率，而细观尺度结构拓扑构型则影响不大。
另外，研究表明复合材料点阵杆件的铺层方式会影响点阵结构的效率，在承受面外压缩时，按面内方向铺层形成的点阵结构压缩效率更高。
第四章 单层复合材料的强度4.1 复合材料的强度特征材料强度是材料承载时抵抗破坏的能力。
破坏是与结构的技术要求相关的，多数情况下，宏观强度理论将(塑性)材料的屈服和(脆性材料的)断裂视为破坏或失效。
对于各向同性材料，强度在各个方向上均相同，没有方向性。
常用的强度理论有：1. 最大应力理论材料破坏是由于最大应力(拉伸应力1σ、压缩应力3σ或剪切应力m ax τ)达到极限值(屈服极限或强度极限)，tm σσ≤1，cm σσ≤3，m ττ≤max式中tm σ、cm σ和m τ分别为材料单向拉伸、单向压缩和纯剪切时的极限应力。
2. 最大应变理论材料破坏是由于最大应变(拉伸应变1ε、压缩应变3ε或剪切应变m ax γ)达到极限值，tm εε≤1，cm εε≤3，m γγ≤max式中tm ε、cm ε和m γ分别为材料单向拉伸、单向压缩和纯剪切时的极限应变。
3. 最大歪形能理论材料破坏是由于歪形能达到一定极限值，ym y U U ≤式中)(31133221232221σσσσσσσσσν---+++=EU y ，231tm ymEU σν+=，tm σ为单向拉伸时的极限应力，因而得 2133221232221tm σσσσσσσσσσ≤---++对于复合材料，其强度的特点是具有方向性。
对于正交各向异性材料，存在三个材料主方向，不同主方向的强度是不同的。
例如，纤维增强复合材料单向板，沿纤维方向强度通常为沿着垂直纤维方向强度的几十倍。
与各向同性材料不同，正交各向异性单向板有如下强度特征：1．对于各向同性材料，主应力与主应变是与材料主方向无关的应力应变极值，对各向异性材料，由于强度的方向性，最大作用应力不一定对应材料的危险状态，而材料主方向的应力比最大作用应力更重要。
2．对正交各向异性单向板，沿材料的主方向的强度极限值称为基本强度，它们是：X－沿纤维方向(材料主方向1)的强度；Y－垂直于纤维方向(材料主方向2)的强度；S－(1－2平面内)剪切强度。
第11卷第4期2008年8月建 筑 材 料 学 报J OU RNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL S Vol.11,No.4Aug.,2008收稿日期:2007-09-20;修订日期:2007-12-19基金项目:江苏省属高校自然科学重大基础研究项目(06K J A56002);南京工业大学博士学位论文创新基金资助项目(BSCX200719)作者简介:方 海(1981-),男,江苏仪征人,南京工业大学博士生.E 2mail :fanghainjut @ 文章编号:1007-9629(2008)04-0495-05点阵增强型复合材料夹层结构制备与力学性能方 海, 刘伟庆, 万 里(南京工业大学土木工程学院,江苏南京210009)摘要:选用H -60PVC 泡沫、四轴向玻璃纤维布以及乙烯基酯树脂,通过在PVC 泡沫芯材上、下表面开正交布置的齿槽及沿芯材厚度方向穿孔,采用先进的真空导入成型工艺,制备出在玻璃纤维面板与PVC 泡沫芯材界面具有创新构型的点阵增强型复合材料夹层结构.研究结果表明:真空导入成型工艺充模速度快、成型效率高;点阵增强型复合材料夹层结构经乙烯基树脂柱增强后,其剪切与平压性能均有一定的提高.另外,通过三点弯曲与四点弯曲试验,观察了试件的典型受弯破坏形态;利用经典夹层梁理论预估了试件抗弯刚度和受弯极限承载力,理论预估值与实测值符合较好.关键词:真空导入成型工艺;点阵增强型;复合材料夹层结构;力学性能中图分类号:TB332;TB301 文献标识码:AMechanical Properties and Manufacturing Process ofG rooved Perforation Sandwich CompositesFA N G H ai , L I U W ei 2qi n g , W A N L i(College of Civil Engineering ,Nanjing University of Technology ,Nanjing 210009,China )Abstract :H -60PVC foam ,four 2axis E 2glass non 2woven fabric and vinyl resin are selected to fabricate a type of reinforced sandwich compo site as grooved perforation sandwich (GPS )by t he advanced vacuum inf usion molding process (V IM P ).The interfacial struct ure between t he face and core of GPS is innovative because of t he acuminate grooves in bot h sides of foam core and t he holes perforated along core ’s height.The fabrication result s show t hat V IM P is a high 2speed and co st 2effective manufact uring met hod.The shear and flatwise comp ression properties of GPS are enhanced by t he resin column inclusions.The typical flexural failure modes of specimens are ob 2served.The flexural stiff ness and ultimate loading capacity of GPS are st udied by ordinary sand 2wich beam t heory and t he t heoretical data tally wit h t he tested data.K ey w ords :vacuum inf usion molding process (V IM P );grooved perforation sandwich (GPS );sandwich compo site ;mechanical property 大型/异型复合材料夹层结构构件可采用低成本且快速成型的真空导入成型工艺(vacuum in 2f ution molding process ,V IM P )制备,该工艺方法灵活,能够一次成型带有夹芯、加筋、预埋的大型结构件,且成型工艺绿色环保,已成为复合材料领域的重要发展方向之一[1].采用树脂基纤维面板和泡沫或轻木芯材的复合材料夹层结构可以达到理想的结构性能(如强度、刚度、疲劳和冲击韧性等),且具有轻质、耐腐蚀、电磁屏蔽等特点,可替代钢结构面板制造各种结构构件,从而大幅度提高军事设施、车辆、舰船、建筑、桥梁等结构性能和使用效果.如瑞典海军的轻型护卫舰Visby 号,长73m ,舰上的部件如船体、甲板和上层建筑等大型构件均采用这种用真空导入成型工艺制造的复合材料夹层结构[2].目前,美国海军正全面展开真空导入制备复合材料夹层结构的研究[3].在我国风力叶片制造领域,这种真空导入成型工艺也已悄然兴起,并逐步向舰船领域渗透.在建筑领域,美国、澳大利亚等国家已采用真空导入成型工艺一次成型大跨建筑屋盖、桥面板、道面垫板、轻便舟桥等大型构件[4].在我国,不仅在结构加固领域广泛应用复合材料,而且用其作为结构构件的应用也正方兴未艾,如用于混凝土结构的纤维筋和预应力筋、斜拉桥的纤维拉索、拉挤成型玻璃钢空腹桥面板等.但采用真空导入工艺快速制备具有夹芯材料的复合材料夹层结构作为建筑结构件的研究与应用目前尚处于空白阶段.为此,本文在传统复合材料夹层结构制备与研究的基础上,设计并制备了适合真空导入成型工艺的点阵增强型(grooved perforation sandwich ,GPS )复合材料夹层结构,对其剪切、平压与抗弯性能及破坏形态进行了实验研究,并应用经典夹层梁理论预估了其极限承载力,以促进其作为新型建筑材料在我国推广应用.1 制备工艺1.1 实验材料乙烯基酯树脂:上纬(上海)精细化工有限公司生产的901-P 低粘度乙烯基树脂,需要1.2%(质量分数)的过氧化甲乙酮(M E KP )作为固化剂;增强材料:法国圣戈班集团常州技术材料有限公司生产的800g/m 2四轴向[0/45/90/-45]准正交玻璃纤维布;PVC 泡沫:瑞典DIAB 公司生产的H -60PVC 泡沫,密度为60kg/m 3.1.2 真空导入工艺本实验所采用的真空导入成型工艺基本原理参见图1.在模具上依次铺放两层干的800g/m 2四轴向[0/45/90/-45]准正交玻璃纤维布,形成[0/45/90/-45/0/45/90/-45]铺层,然后在其上面放置上、下表面均开有正交布置的齿槽且沿厚度方向穿孔的PVC 泡沫芯材,再在该泡沫芯材的上表面放置两层玻璃纤维布(见图2),并依次铺上脱模布、导流布,最后用真空袋将其密封.在型腔抽真空的过程中,乙烯基酯树脂可在大气压作用下沿树脂管注入真空袋内,并沿导流布分布、流动而浸渍玻璃纤维束,当乙烯基酯树脂浸渍到PVC 泡沫芯材时即可沿其表面分布的齿槽和圆孔流到下表面的玻璃纤维布上.由于所采用的乙烯基酯树脂粘度较低,浸渍性较好,同时,该树脂可在室温下固化,因此,成型时无需加热加压处理.图1 真空导入成型工艺Fig.1 Vacuum inf ution moldingprocess 图2 点阵增强型复合材料夹层结构Fig.2 Grooved perforation sandwich 本实验采用的模具为平板玻璃,成型时可观察PVC 泡沫芯材上、下表面乙烯基酯树脂的流动情况.乙烯基酯树脂的具体流动过程为:15s 后,乙烯基酯树脂浸渍PVC 泡沫芯材下表面;60s 后,乙烯基酯树脂基本完成PVC 泡沫芯材上、下表面充模;150s 后,PVC 泡沫芯材所有的边角无干点,整个充模过程完成.充模结束后,仍保持真空状态40min.6h 后脱模.实验发现,在PVC 泡沫芯材上、下表面布置的齿槽为乙烯基酯树脂提供了快速流动通道,而沿其厚度方向穿过的圆孔则保证了乙烯基酯树脂在上、下两个表面的均匀流动,从而使整个充模过程694建 筑 材 料 学 报第11卷 迅速、顺利,并且使试件在室温下短时间固化.填满齿槽的乙烯基酯树脂将玻璃纤维面板与PVC 泡沫芯材镶在一起,圆孔内的乙烯基酯树脂则形成乙烯基酯树脂柱,可起到螺栓的作用,将上、下玻璃纤维面板与PVC 泡沫芯材铆在一起,提高了玻璃纤维面板与PVC 泡沫芯材的抗剥离能力.2 力学性能实验2.1 剪切、平压性能测试点阵增强型复合材料夹层结构主要由乙烯基酯树脂、玻璃纤维面板和由点阵乙烯基酯树脂柱增强的PVC 泡沫芯材组成.经测试,玻璃纤维面板的弹性模量为8730M Pa ,拉伸强度为223.7M Pa.增强前、后PVC 泡沫芯材的剪切性能与平压性能实验结果见表1.由表1可见,PVC 泡沫芯材采用点阵乙烯基酯树脂柱增强后,其剪切强度平均提高了9.2%,剪切模量平均提高了3.5%;平压强度平均提高了74.4%,平压模量平均提高了13.1%.表1 PVC 泡沫芯材剪切与平压性能实验结果T able 1 R esults of shear test and flat compressive test of foam core SpecimenShear strengt h/MPaTestAverage Shear modulus/MPa Test Average Flat compressive strengt h/MPa Test Average Flat compressive modulus /MPa Test Average Unreinforced0.7620.00.9070.010.8321.4 1.5578.5GPS 20.830.8320.920.7 1.50 1.5782.379.230.8219.9 1.6276.72.2 抗弯性能测试根据文献[5]制备3个不同跨度的点阵增强型复合材料夹层结构三点弯曲试梁(t hree point flexural test ,简称tf ),梁宽为80mm ,跨度分别为150,300,450mm.跨度为150mm 的短试梁在变形较小的情况下即发生PVC 泡沫芯材剪切破坏,而跨度为300,450mm 的三点弯曲试梁呈现上玻璃纤维面板受压屈曲破坏(见图3(a )),其三点弯曲荷载P -跨中位移f 曲线见图4(a ).为了研究点阵增强型复合材料夹层结构的抗弯刚度,本实验制备了3个四点弯曲试梁(four point flexural test ,ff ),梁跨度为450mm ,采用三分点加载形式.试梁典型破坏形态均为PVC 泡沫芯材剪切破坏,并同时引起PVC 泡沫芯材与玻璃纤维面板的剥离(见图3(b )),其四点弯曲荷载-跨中位移曲线见图4(b ).由图4(b )可见,PVC 泡沫夹层结构的位移变化以弹性发展为主,但当荷载达到极限位移约2/3时,由于PVC 泡沫芯材的剪切变形以塑性发展为主,其荷载-跨中位移曲线的斜率呈降低趋势,并在进入塑性阶段后,出现了一小段屈服平台;当达到极限荷载时,PVC 泡沫芯材发生剪切破坏,其荷载-跨中位移曲线开始下降.试梁破坏时的挠度约20mm ,为跨度的1/20～1/25.(a )Failure modes of t hree point flexural test (b )Failure modes of four point flexural test图3 试梁典型破坏形态Fig.3 Failure modes of sandwich794 第4期方 海,等:点阵增强型复合材料夹层结构制备与力学性能 (a )Load 2midspan deflection curves of t hree point flexuraltest (b )Load 2midspan deflection curves of four point flexural test图4 试梁荷载—跨中位移曲线Fig.4 Load 2midspan deflection curves 表2为试梁四点弯曲实验结果,其中:抗弯刚度D 由式(1)计算D =a ΔP (3l 2-4a 2)/48Δw (1)式中:a 为加载点至反力支座之间的距离,mm ;l 为测量挠度的标距,即试梁的跨度,mm ;ΔP 为荷载增量,位于比例极限以下,N ;Δw 为在荷载增量ΔP 作用下全跨度内所产生的挠度,mm.表2 试梁四点弯曲实验结果T able 2 R esults of four point flexural testSpecimen Ultimateloading/kNUltimate deflection /mm Ultimate flexural moment /(kN ・m )Test Average Flexural stiffness ×10-6/(N ・mm 2)Test Average13.36820.20.253378.11GPS 23.31820.50.2490.251475.86426.443 3.36521.10.252425.353 受弯理论与分析3.1 抗弯刚度由于PVC 泡沫芯材的弹性模量相对于玻璃纤维面板小许多,同时,玻璃纤维面板厚度仅1.5mm ,相对于PVC 泡沫芯材厚度25mm 薄许多,因此,本实验仅考虑上、下玻璃纤维面板绕夹层结构中性轴的抗弯刚度[6],其表达式为D =E f bt f d 2/2(2)式中:E f 为玻璃纤维面板的弹性模量,8730M Pa ;b 为试梁宽度,80mm ;t f 为玻璃纤维面板厚度,1.5mm ;d 为夹层结构高度,28mm.由式(2)可求得试梁的抗弯刚度理论值为410.66×106N ・mm 2,与试验值426.44×106N ・mm 2相差3.7%,基本吻合.3.2 极限承载力按经典夹层梁理论分析夹层结构截面的应力分布,玻璃纤维面板中的最大正应力σf 为σf =M/bt f d(3)式中:M 为弯矩,N ・mm.PVC 泡沫芯材所受的剪应力τc 为τc =Q/bd (4)式中:Q 为剪力,N.对于实验中观察到的2种主要破坏模式,有(1)当σf =M/bt f d ≥σyf (σyf 表示玻璃纤维面板受压屈服临界强度),玻璃纤维上面板易发生受压894建 筑 材 料 学 报第11卷 屈曲破坏.如果是三点弯曲试梁,则其玻璃纤维面板临界屈曲荷载P cr 可表示为P cr =4σyf bdt f /l(5) (2)当τc =Q/bd ≥τyc (τyc 表示PVC 泡沫芯材受剪临界强度),PVC 泡沫芯材易发生剪切破坏.如果是三点或四点弯曲试梁,则其PVC 泡沫芯材临界剪切荷载P ′cr 可表示为P ′cr =2τyc bd(6) 将试梁极限荷载实测值以及根据式(5),(6)求得的理论值列于表3.由表3可见,跨度为150,300mm 的三点弯曲试梁其极限荷载理论值与实测值存在一定差异,分别为10.3%,38.8%.通过分析可知,跨度较小的点阵增强型复合材料夹层梁加载受弯时,其玻璃纤维面板与PVC 泡沫芯材易处于局部受压状态,从而导致其抗弯极限荷载尚未达到理论值时即告破坏.跨度较大(450mm )的三点、四点弯曲试梁其极限荷载理论值与实测值均吻合较好,这表明利用经典夹层梁理论的简单方法预估点阵增强型复合材料夹层结构极限承载力具有较好的工程实用精度.表3 试梁极限荷载实测值与理论值对比T able 3 Comp arison bet w een theoretical and tested ultim ate flexural loading cap acity Test mode Span/mmUltimate loading /kN Test Theoretical Difference/%Failure mode Three pointflexural test1503.372 3.71810.3Core shear 300 2.272 3.15438.8Face yield 450 1.993 1.971 1.1Face yield Four pointflexural test 450 3.350 3.320-0.9Core shear 4 结论1.真空导入成型工艺充模速度快、成型效益高,适合制备大型/异型复合材料夹层结构构件.2.PVC 泡沫芯材表面的齿槽以及沿厚度方向的圆孔为成型过程中乙烯基酯树脂充模提供了快速流动通道.3.点阵增强型复合材料夹层结构的剪切、平压性能均较增强前的PVC 泡沫有了一定提高,点阵布置的乙烯基酯树脂柱对PVC 泡沫芯材起到了增强作用.4.点阵增强型复合材料夹层结构的抗弯刚度主要由玻璃纤维面板的性能与夹层结构的厚度控制,其理论值与实测值吻合较好.5.点阵增强型复合材料夹层结构受弯时,容易发生玻璃纤维面板屈曲和PVC 泡沫芯材剪切破坏,可利用经典夹层梁理论预估其极限抗弯荷载.参考文献:[1] 李新华,祝颖丹,王继辉,等.沟槽型真空注射成型工艺的研究[J ].复合材料学报,2003,20(4):111-116. 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复合材料是一种由两种或两种以上的材料组合而成的材料，具有强度高、重量轻、耐腐蚀等优点。
复合材料在航空航天、汽车制造、建筑工程等领域有着广泛的应用。
本文将重点探讨复合材料的结构特点、设计要点以及成型方法。
一、复合材料的结构特点1.1 高强度：复合材料由于是由不同材料组合而成，可以充分发挥各种材料的优点，因此具有很高的强度。
比如碳纤维复合材料的强度是钢的几倍。
1.2 轻质：由于复合材料多为聚合物基体和增强材料组成，因此具有较低的密度，重量轻，适合用于要求重量轻的场合，比如航空航天领域。
1.3 耐腐蚀性好：复合材料多数是无机非金属材料与有机高分子材料的复合，因此具有良好的耐腐蚀性，可以在恶劣环境下长期使用。
1.4 难以加工：复合材料的工艺性和加工性较差，需要采用特殊的加工技术和工艺流程。
二、复合材料的设计要点2.1 结构设计：在设计复合材料结构时，需要充分考虑材料的性能和特点，合理设计结构，提高材料的使用效率。
2.2 成型工艺设计：不同的复合材料有不同的成型工艺，需要根据具体的材料性能和工艺流程来设计成型工艺，以保证产品质量。
2.3 自动化设计：现代复合材料加工已经向着自动化方向发展，因此设计时需要考虑如何实现自动化生产。
2.4 环境友好设计：在设计复合材料产品时，需要充分考虑材料的回收性和再利用性，采用环保的材料和工艺。
三、复合材料的成型方法3.1 手工层叠成型：手工层叠成型是一种常见的复合材料成型方法，通过人工将增强纤维层叠在一起，再浸渍树脂，最后经过固化得到成品。
3.2 压模成型：在压模成型中，复合材料预先放置于模具中，然后通过压力和温度的作用，使树脂固化，最终得到成品。
3.3 真空吸塑成型：真空吸塑成型是将复合材料覆盖在模具表面，然后利用真空负压使其贴紧模具表面，并通过加热固化得到成品。
3.4 自动化制备：随着自动化技术的发展，复合材料成型也越来越多地采用自动化制备技术，如自动化层叠机、自动化压模机等。
C_f/SiC波纹点阵结构复合材料力学性能与失效机理研究高超声速飞行器在空中要保持长时间、高速度的飞行状态,能够承受恶劣的飞行热环境和气动载荷,要求其热防护系统材料须同时具备轻质、高强韧、耐极端高温、近零烧蚀等性能,针对该要求近年提出了ITPS(Integrated Thermal Protection System)防热和承力结构可实现一体化材料体系。
在众多材料中,C_f/SiC(C_f代表长纤维)点阵结构复合材料凭借其轻质、高强、抗高温、耐腐蚀等一系列优良的性能,成为最具应用前景的ITPS候选材料之一。
本文根据高超声速飞行器热防护系统轻质、承力、防热隔热等多功能化的应用要求,提出一种轻质、高强、抗高温的C_f/SiC波纹点阵结构复合材料的新概念,采用PIP(Precursor Infiltration and Pyrolysis)与HP(Hot Press Molding)相结合的工艺制备C_f/SiC波纹点阵结构复合材料夹芯板,通过实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,系统研究了C_f/SiC波纹点阵结构复合材料的力学性能和失效机理。
主要的研究内容及结论如下:设计制备了C_f/SiC波纹点阵复合材料夹芯板。
通过实验测试了C_f/SiC波纹点阵复合材料夹芯板的平压、侧压以及三点弯曲力学性能,分析了夹芯板的破坏过程与失效模式。
利用等效理论力学模型,预测了夹芯板的力学性能。
基于Abaqus软件平台,建立C_f/SiC波纹点阵复合材料夹芯板力学性能数值模拟方法,准确地捕捉到了平压、侧压以及三点弯曲载荷作用下夹芯板中的最大应力破坏区域,与实验测试结果吻合较好。
研究了真空热处理对C_f/SiC波纹点阵结构复合材料力学性能的影响。
研究表明,热处理后夹芯板压缩强度随着热处理温度的升高先升高后降低,压缩模量逐渐下降。
1400℃热处理后夹芯板的力学性能得到较大的改善,压缩强度和模量分别为2.84 MPa和40.13 MPa。
《复合材料结构设计》教学大纲课程编号：B03080600课程名称：复合材料结构设计英文名称：Architectural Design of Composites课程性质：限选课学时/学分：32/2考核方式：考核内容分为两个部分，即平时成绩（占总成绩的30%）和考试成绩（占总成绩的70%）选用教材：《复合材料结构设计》，王耀先编，化学工业出版社出版，2001年先修课程：复合材料导论、复合材料学、复合材料聚合物基体后继课程：高性能纤维制备及应用、复合材料与工程前沿、纳米复合材料、功能复合材料适用专业及层次：复合材料与工程本科一、课程目标通过本课程的学习，使学生具备下列能力：1.能够准确理解复合材料力学研究、复合材料结构力学研究以及复合结构设计中有关力学的一般规律和基本概念；2.能够运用复合材料结构设计中的基本原理、基本方法，进行复合材料结构设计和新产品开发的基本技能；3.能够把握国内外复合材料结构设计的新技术及工业生产情况；4.能够掌握一种常用的计算机辅助设计软件，进行计算机辅助设计。
三、教学基本内容第一章绪论（支撑课程目标1、4）1.1复合材料的发展与现状1.2复合材料的分类1.3 复合材料力学性能特点1.4复合材料结构设计的特点要求学生：了解复合材料的发展与现状、掌握复合材料的基本概念及分类；掌握复合材料力学性能特点；掌握复合材料结构设计的特点。
第二章单层的刚度与强度（支撑课程目标1、2）2.1 基本概念2.2 单层的刚度2.3 单层的偏轴刚度2.4单层的强度2.5单层的三维应力一应变关系要求学生：掌握正轴、正交各项异性等基本概念；掌握单层刚度的表示方法及应力-应变关系、应变-应力关系推导；单层偏轴刚度与正轴刚度推导；单层强度的表示方法及基本强度准则。
第三章层合板的刚度与强度（支撑课程目标1、2）3.1 层合板简化表示方法3.2 对称层合板的面内刚度3.3 对称层合板的弯曲刚度3.4 一般层合板的刚度3.5 层合板的强度要求学生：掌握层合板简化表示方法；掌握对称层合板面内刚度，层合板强度表示方法及失效准则第四章复合材料结构分析（支撑课程目标1、2）4.l复合材料结构分析的基本问题4.2复合材料梁4.3夹层结构分析4.4复合材料板的弯曲分析要求学生：掌握复合材料结构分析的基本问题，三大方程；复合材料梁、板弯曲分析第五章复合材料连接（支撑课程目标1、2、3）5.1复合材料连接方式5.2胶接连接5.3机械连接要求学生：掌握复合材料胶接连接、机械连接特点、连接方式。
复合材料结构设计基础一、引言复合材料是由两个或两个以上成分组成的材料，其性能优异且广泛应用于航空航天、汽车、建筑、体育器材等领域。
复合材料的结构设计是保证其实际应用中能够充分发挥其性能的重要环节。
本文将从材料选择、结构设计和强度分析等方面介绍复合材料结构设计的基础知识。
二、材料选择1.纤维：纤维是复合材料中的主要增强成分，可以使复合材料的强度和刚度得到改善。
常见的纤维有碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等。
选择纤维时需要考虑其强度、刚度、密度和耐热性能等因素。
2.矩阵：矩阵是复合材料中的主要基体成分，起到纤维之间传递应力的作用。
常用的矩阵有热固性树脂和热塑性树脂。
选择矩阵时需要考虑其耐热性、化学稳定性和湿热性能等因素。
3.界面增强剂：界面增强剂可以提高纤维和矩阵之间的粘结强度。
常用的界面增强剂有表面改性剂和界面剂。
选择界面增强剂需要考虑其与纤维和矩阵的相容性和增强效果。
三、结构设计1.组织构型：复合材料的组织构型包括单向、角度堆积、短纤维增多和编织增强等形式。
选择合适的组织构型可以在不同的应力情况下提供更好的性能。
2.层压结构：复合材料的层压结构是由多个纤维层和矩阵层交替堆积而成。
合理设计层压结构可以在不同方向上提供不同的性能，提高复合材料的强度和刚度。
3.构件形状：四、强度分析1.强度计算：应力分析和强度计算是复合材料结构设计中的重要环节。
可以通过有限元分析、解析方法和试验验证等手段来进行强度分析。
2.破坏机理：复合材料的破坏机理包括纤维断裂、矩阵破裂和界面剥离等。
了解破坏机理可以指导结构设计，预测和控制材料的破坏行为。
3.疲劳寿命：复合材料的疲劳寿命是指材料在交变加载下能够承受的循环次数。
疲劳寿命的预测可以通过试验和寿命预测模型等方法进行。
五、总结复合材料结构设计基础包括材料选择、结构设计和强度分析等方面。
合理选择纤维、矩阵和界面增强剂等材料，设计合适的组织构型和层压结构，进行强度分析和破坏机理研究，可以提高复合材料结构的强度和刚度，应用于不同领域中。
复合材料点阵结构吸能特性和抗低速冲击性能研究共3篇复合材料点阵结构吸能特性和抗低速冲击性能研究1复合材料点阵结构吸能特性和抗低速冲击性能研究随着交通工具的普及和人们对安全性的要求不断提高，材料的耐冲击性和吸能特性成为了材料研究的热点之一。
而复合材料以其轻量化、高强度、高刚度等优势在这方面得到了广泛的应用。
本文将介绍一种新型的复合材料点阵结构，并分析其吸能特性和抗低速冲击性能。
首先，我们介绍点阵结构的基本原理。
点阵结构是由一系列相互连接的单元组成的，这些单元之间形成了一种无缝衔接的网络结构。
点阵结构因其特殊的几何形状，所形成的空隙比较大，因此在某些情况下可以有效地吸收冲击能量，从而避免或减轻对其他部件的破坏。
同时，点阵结构还具有很好的抗压、抗剪和抗扭性能，可以有效地抵御外力作用下的变形和断裂。
接着，我们介绍复合材料的制备过程。
利用点阵结构的吸能特性，我们可以将其应用到复合材料中，从而提高复合材料的吸能能力。
复合材料通常由纤维增强材料和基体材料组成，纤维增强材料主要承担受力的作用，而基体材料则起到固定和保护作用。
为了在复合材料中实现点阵结构，我们需要将单元作为一种增强材料纤维，将其与基体材料相互交织，形成一种新的复合材料。
在制备过程中，需要注意纤维和基体的匹配性、纤维集聚和分散程度、纤维的取向等因素，以确保复合材料的力学性能和耐久性。
最后，我们介绍点阵结构复合材料的应用与发展。
点阵结构复合材料具有广泛的应用前景，包括汽车、航空航天、公共交通等领域。
在汽车与公共交通领域，点阵结构复合材料可以用于车身、底盘等部件的设计，可以有效减轻汽车的重量，提高汽车的安全性和经济性。
在航空航天领域，点阵结构复合材料可以应用于飞机的机身、机翼等部件设计，可以提高飞机的飞行速度和稳定性。
综上所述，复合材料点阵结构是一种应用前景广阔的新型复合材料，在汽车、航空航天、公共交通等领域有着广泛的应用前景，同时具有良好的吸能特性和抗低速冲击性能。
复合材料的结构设计与力学性能分析复合材料是由两个或多个不同性质的材料通过物理或化学方法结合而成的一种新型材料。
它具有独特的性能，广泛应用于航空航天、汽车工业、建筑材料等领域。
本文将通过对复合材料的结构设计与力学性能分析来探讨其重要性以及相关领域的应用。
首先，复合材料的结构设计非常重要。
合理的结构设计可以提高复合材料的力学性能，使其能够承受更大的载荷。
在复合材料的结构设计中，首先需要考虑的是材料的选择。
不同的应用领域对材料的性能要求不同，因此需要选择适合的材料进行组合。
例如，在航空航天领域中，需要材料具有轻量化、高强度和高温抗氧化性能。
因此，可以选择碳纤维和环氧树脂作为主要材料。
其次，结构设计中需要考虑纤维的取向和层压方式。
纤维的取向可以影响复合材料的强度和刚度，而层压方式则决定了复合材料的层间剪切性能。
因此，在结构设计中需要通过优化取向和层压方式来提高复合材料的性能。
其次，复合材料的力学性能分析对于确定其应用范围和使用条件非常重要。
力学性能分析可以通过试验和数值模拟两种方法来进行。
试验是最直接的方法，可以通过加载试样并测量其变形和应力来评估复合材料的性能。
常用的试验方法包括拉伸试验、压缩试验和剪切试验等。
数值模拟则通过建立复合材料的数学模型，采用有限元方法或其他数值计算方法来模拟复合材料的力学行为。
数值模拟可以在更短的时间内得到复合材料的应力分布和变形信息，具有较高的效率和可靠性。
通过分析复合材料的力学性能，可以确定其在不同载荷下的性能表现，为实际工程应用提供指导。
除了结构设计和力学性能分析，复合材料的制备和加工方法也对其性能具有重要影响。
制备复合材料的方法包括手工层压、自动化层压和预浸料成型等。
不同的制备方法会对复合材料的纤维取向、树脂浸润和纤维体积含量等性能参数产生影响。
加工方法则包括切割、钻孔、粘接等。
合适的制备和加工方法可以提高复合材料的制造效率和质量。
综上所述，复合材料的结构设计与力学性能分析是实现优化性能的关键。
第四章 单层复合材料的强度4.1 复合材料的强度特征材料强度是材料承载时抵抗破坏的能力。
破坏是与结构的技术要求相关的，多数情况下，宏观强度理论将(塑性)材料的屈服和(脆性材料的)断裂视为破坏或失效。
对于各向同性材料，强度在各个方向上均相同，没有方向性。
常用的强度理论有：1. 最大应力理论材料破坏是由于最大应力(拉伸应力1σ、压缩应力3σ或剪切应力m ax τ)达到极限值(屈服极限或强度极限)，tm σσ≤1，cm σσ≤3，m ττ≤max式中tm σ、cm σ和m τ分别为材料单向拉伸、单向压缩和纯剪切时的极限应力。
2. 最大应变理论材料破坏是由于最大应变(拉伸应变1ε、压缩应变3ε或剪切应变m ax γ)达到极限值，tm εε≤1，cm εε≤3，m γγ≤max式中tm ε、cm ε和m γ分别为材料单向拉伸、单向压缩和纯剪切时的极限应变。
3. 最大歪形能理论材料破坏是由于歪形能达到一定极限值，ym y U U ≤式中)(31133221232221σσσσσσσσσν---+++=EU y ，231tm ymEU σν+=，tm σ为单向拉伸时的极限应力，因而得 2133221232221tm σσσσσσσσσσ≤---++对于复合材料，其强度的特点是具有方向性。
对于正交各向异性材料，存在三个材料主方向，不同主方向的强度是不同的。
例如，纤维增强复合材料单向板，沿纤维方向强度通常为沿着垂直纤维方向强度的几十倍。
与各向同性材料不同，正交各向异性单向板有如下强度特征：1．对于各向同性材料，主应力与主应变是与材料主方向无关的应力应变极值，对各向异性材料，由于强度的方向性，最大作用应力不一定对应材料的危险状态，而材料主方向的应力比最大作用应力更重要。
2．对正交各向异性单向板，沿材料的主方向的强度极限值称为基本强度，它们是：X－沿纤维方向(材料主方向1)的强度；Y－垂直于纤维方向(材料主方向2)的强度；S－(1－2平面内)剪切强度。
【专业讲堂】复合材料结构设计时的主要强度类型分析通过将特定的树脂和增强剂结合在一起，可以定制配方并满足任何应用所需的强度要求。
例如，可以通过调整树脂和增强材料的比例，或将纤维调整到一个方向或多个方向。
由于复合材料具有各向异性特征，这意味着材料特性会根据增强纤维的位置和层数而变化。
这也提供了工程上的灵活性，因此设计人员可以定制最终产品的属性。
影响结构设计的强度类型主要有四种：比强度，抗张强度，抗剪强度和抗压强度。
比强度材料的强度重量比（也称为其比强度）是强度与重量的比值，即材料的强度除以其密度所提供的强度。
复合材料领域的工程师正日益寻求具有高比强度的材料。
一些材料如钢非常坚固但沉重。
其他材料可能又轻又结实，例如竹竿。
复合材料可以设计成既坚固又轻巧。
由于复合材料具有很高的强度重量比，因此复合材料成为飞机和汽车等对重量最重要的应用的抢手材料。
拉伸强度拉伸强度是指材料在断裂、变形或以其他方式失效时可以承受的应力量。
而抗张强度的一种衡量标准是抗弯强度，即材料或结构承受弯曲的能力。
拉伸强度和弯曲强度是工程师和设计师的重要测量指标。
想象一下如何在不知道承受多大压力的情况下能够建造桥面甲板吗？拉伸强度因材料而异，单位为兆帕（MPa）。
例如，它取决于纤维取向和其他设计因素，钢的极限抗拉强度范围为400至690MPa，而碳纤维增强的聚合物复合材料的极限强度为1,200至2,410 MPa。
剪切强度剪切强度描述了当层间移动或滑动时材料对应变的抵抗能力。
重要的是要知道在破坏之前材料可以承受的最大剪切应力（或每单位面积的力）。
这样，工程师和设计人员就可以知道结构可以支撑的重量或负载量，以及在不同方向施加力时结构可能发生的情况。
复合材料的剪切强度会根据配方和设计而变化，在设计复合材料时可使剪切应力在一个平面内，横向于该平面或整个层（层间）定向。
有几种控制剪切特性的方法，包括纤维取向、层序、所用纤维的类型和体积、芯材的类型和密度等等。
复合材料结构的研究与设计复合材料一直以来都是工业制造中的重要材料之一，它具有优异的性能和广泛的应用领域。
在飞机、汽车、轮船等交通工具、航天器、电子产品、建筑材料等领域，复合材料都有着不可替代的地位。
而复合材料的结构设计对于其性能和成本起着至关重要的作用。
复合材料的结构设计需要遵循材料力学的原理。
在复合材料的构造过程中，需要考虑多个因素。
首先需要确定使用的材料类型，包括基础材料、增强材料和填充材料。
其次需要考虑制造过程和工艺流程，包括复合材料的成型和加工。
最后需要根据适用环境和性能要求来对复合材料进行测量和测试。
在材料选择方面，工程师需要对材料的性质和结构进行深入的了解。
有些复合材料比其他复合材料更适合某些应用场合，因此在选择合适的复合材料时要格外谨慎。
有些复合材料具有高特性、高强度和低密度等特点，所以它们非常适合制造高强度和低重量的部件。
在制造过程和工艺流程方面，制造商和研究人员需要考虑复合材料的加工和成型过程。
成型和加工过程需要遵循正确的程序和工艺，以确保制造的复合材料具有恰当的性质。
在复合材料性能测试和测量方面，制造商和研究人员需要使用各种测试方法和设备对复合材料进行检测。
这些测试和测量可以确定复合材料的强度、刚度、破坏模式和其他性质。
复合材料结构的研究和设计是一个需要多学科知识和技能的较为复杂的领域。
从理论和实践的角度来说，它需要专业的知识和经验，以确保制造复合材料符合要求。
同时，随着科技的发展，复合材料结构的研究和设计也会不断发展，未来几年复合材料在各行业的应用将越来越广泛，其设计和制造技术也将得到不断的提高。
总之，复合材料结构的研究和设计是一项重要的工作。
只有通过科学的研究、精细的设计以及严格的测试和测量，才能不断提高复合材料的性能和品质，确保其在各行业都能发挥最大的作用。
