涨知识 | 复合材料力学基础知识

1、名词术语

(1)各向同性：材料性能与方向无关的一种特性。

(2)各向异性：材料性能因方向不同而改变的一种特性。

(3)正交各向异性：材料具有三个互相垂直的弹性对称平面的特性，这些平面的法线方向称为材料主方向。

(4)横向各向同性：具有正交各向异性特性的材料，若有一个各向同性平面时，称之为横向各向同性。单向复合材料即具有此种特性。

(5)耦合：外力引起与其不对应的摹本变形的效应称为耦合。

(6)拉剪耦合、拉弯耦合、弯扭耦合：分别指由正应力引起剪应变的耦合，由正应力引起弯曲应变的耦合；由弯矩引起扭转应变的耦合。三者均为各向异性材料所有。

(7)正轴：与材料主方向重合的参考坐标轴。

(8)偏轴：与构料主方向不重合，有一个偏转角的参考坐标轴。

(9)铺层：复合材料制件中一层单向带或织物称为一个铺层，是复合材料制件中一个基本单元。

(10)层合板：由单向或多向铺层压制而成的复合材料板。

(11)铺向角(铺层角)：每一铺层的纤维方向与制件参考坐标X轴之间的夹角，由X轴到纤维方向逆时针旋转角度为铺层角。

(12)铺层组：一组具有相同铺层角的连续铺层。

(13)铺层顺序：铺贴中具有各种不同铺向角的铺层的排列次序。

(14)子层合板：在层合板内一个多次重复的多向铺层组合。

(15)对称层合板：全部铺层及其各种特性和参数相对于板的几何中面对称的层合板。

(16)均衡层合板：铺层的各种特性和参数相同，铺向角为-θ和θ的铺层数相等的层合板，且可包含任意数量的0°层和90°层。如[45°／-45°]，[0／45°／90／-45°]。

(17)均衡对称层合板：即均衡又对称的层合板。如[45°／-45°]。

(18)正交层合板：只有0°和90°铺层的双向层合板，如[0°／90°]。

(19)斜交层合板：只含有-θ和θ铺层的双向层合板，如[45°／-45°]。

(20)准各向同性板：面内各个方向的弹性常数相同的对称层合板，如[30／60／一30／一60]。

(21）n／4层合板：具有四个铺层方向，彼此相隔45°(即n／4)，且各铺层组可具有任意厚度的对称层合板。如[0／45／90／一45／0]。

(22)一般层合板：主要是指非对称层合板，还可以包括有不同层板组成的组合式层合板，或有不同铺层材料组成的混合式层合板。如[0／45／一45／45／90／0]。

(23)层间应力：除层板的三个面内应力分量外，沿两个铺层之间的界面上产生的、与厚度方向有关的三个应力分量，zx,τzy,σz。其中两个剪切分量称层间剪应力，也称横向剪应力。

(24)失效准则：复杂应力—应变状态下，材料失效的判据。

(25)许用值：计算中允许采用的材料性能值，由一定的试验数据确定。

(26)强度比：材料的强度极限与结构所受对应应力之比。

2、层合板的表示法

(1)一般层合板：每一铺层的方向用纤维与x轴的夹角示出，彼此用“／”分开，全部用[ ] 括上，并按由下而上或贴膜面向外的顺序写出，如[0／45／30／一45／90]。

(2)对称层合板：只写出一半，括号外加下标s。若为奇数层，对称中面铺层上加顶标“一”。如[0／90]s或[0／45／90]s。

(3)具有连续重复铺层时：连续铺层的层数用数字下标示出，如[0／45n／90]。

(4)由多个子层板构成时：子层板重复数用数字下标示出，如[0／90]n。

(5)由织物铺成的层合板：织物的经纬方向用“( )”示出，如[(土45)／(0，90)]。

(6)混杂复合材料层合板：分别用下标表示。C：碳纤维，K；芳纶纤维，G：玻璃纤维．如[0C／45G]。

(7)夹层板：用c表示夹芯，下标数字表示夹芯厚度的毫米数，面板铺层表示法同前，如[0／90／Cn]。

碳纤维复合材料铺层设计要点

随着时代的发展，碳纤维复合材料在航天航空、汽车高铁、体育用品、机械制造等领域随处可见，在其制品制造的过程中，由于碳纤维复合材料在工艺与性能方面有很大差异，导致其与传统材料的设计也存在较大区别，其中铺层设计是碳纤维复合材料设计的关键内容。

一、铺层设计的内涵

铺层设计主要进行以下内容：

1、确定铺层的总层数。产品总厚度h=n1h1+ n2h2+ n3h3，其中n1，n2，n3为对应材料的层数，h1，h2，h3为材料固化后的单层厚度。

2、确定铺层的方向角。合理的铺层角度，可优化局部件的力学性能以及其它性能，目前常用的标准铺层角度：0°、45°、-45°和90° 可以满足设计要求，也可以简化分析和制造。除纵横剪切强度试样外，只在有特殊需求时采用任意铺层角度铺层，且所用铺层角种类应尽可能少。

3、确定铺层各方向角所占的比例。

4、确定各铺层各方向角的堆叠顺序。为了减少固化过程中的变形，整体铺层顺序应该在层压板结构铺层中心线两侧对称，中心线一般位于层压板的中部区域。并且为确保均匀的铺层顺序，不同的铺层角度应该在铺层顺序中均匀分布。

二、铺层的表示

单向带铺层〔45/-45/0/-45/45/90/90/45/-45/0/-45/45〕（示例1）的表示，可以简化为〔45/-45/0/-45/45/90〕s，其中0，45，90，-45表示铺层角度，s表示铺层关于中面对称，如图1所示。

单向带铺层〔45/-45/0/-45/45/90/45/-45/0/-45/45〕（示例2）表示，可以简化为〔45/-45/0/-45/45/90〕 ，其中表示铺层关于中面单对称，如图1所示。

织物与单向带混合的铺层采用：

〔(±45)/0/(±45)/(0,90)/(±45)/90/90/(±45)/(0,90)/(±45)/(±45)〕表示，可以简化为〔(±45)/0/(±45)/(0,90)/(±45)/90〕s，其中(±45)，(0,90)为织物的铺层。

当需要用铺层表示相应的材料时，可在右下角加材料代码的英文字母，如：

（±45）G表示±45度的玻纤织物

（±45）K表示±45度的凯夫拉芳纶织物

三、纤维的拼接

单向带铺层需要沿宽度方向拼接时，拼接间隙应小于1mm，不允许在垂直于纤维方向拼接。

同方向（角度）铺层需要拼接时，两拼缝间距应不小于25 mm。

四、典型结构设计的注意事项

复合材料工字梁可以提供较高的抗弯刚度，铺层时需要注意在各铺层组的空隙区需要用相应的纤维进行填充，且各组铺层叠加后仍保持对称。

复合材料T型梁制造简单，工艺性好， 但其抗扭转性能差，为改善其抗扭转性能，在T型梁腹板端部采用包覆纤维的方式，提高其抗扭转性能。

针对工艺孔、定位孔的设计形式，设计成圆孔为佳，其次为长圆孔，差的是方孔，主要是复合材料无法像传统金属一样冲孔，加工方孔工艺性差。

铺层设计是碳纤维复合材料结构设计的关键，如何把单层结构的优异性能传递到复合材料结构部件上，铺层设计起到了承上启下的作用。

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