复合材料工艺及设备 最新.doc

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1、复合材料成型工艺及设备0.复合材料设计概述0.1复合材料的结构设计0.1.1概述1、复合材料结构设计过程o复合材料的结构设计是选用不同材料综合各种设计（如层合板设计、典型结构件设计、连接设计等）的反复过程。o在设计过程中必须考虑的主要因素有：o结构质量、研制成本、制造工艺、结构鉴定、质量控制、工装模具的通用性及设计经验等。o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

2、、壳等）的设计，以及复合材料结构（如衍梁、刚架、硬壳式结构等）的设计。o在上述材料设计和结构设计中都涉及到应变、应力与变形分析，以及失效分析，以确保结构的强度和刚度。复合材料结构设计系统流程图性能要求载荷情况环境条件形状限制原材料选择铺层性能确定应力与变形分析失效分析层合板设计典型构件设计结构设计2、复合材料结构设计条件o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，搞清载荷情况、环境条件以及受几何形状和尺寸大小的限制等。1）结构性能要求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

3、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。o结构性能与结构质量有密切关系。减轻重量可提高效率、减少应力腐蚀、提高效益。o此外，对于某些结构物，在结构性能上还须满足一些特殊的性能要求。2）载荷情况o结构承载分为静载荷和动载荷。o静载荷是指缓慢地由零增加到某一定值后就保持不变或变动的不显著的载荷。o此时构件的质量加速度及其响应的惯性力可以忽略不计。例如，固定结构物的自重载荷一般为静载荷。o动载荷是指使构件产生较大的加速度，并且不能忽略由此产生的惯性力的载荷。o在动载荷作用下，构

4、件内所产生的应力称为动应力。o动载荷又可分为瞬时作用载荷、冲击载荷和交变载荷。不同载荷下的设计要求1.在静载荷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.2.在冲击载荷作用下应使结构具有足够抵抗冲击载荷的能力.3.在交变载荷作用下的结构疲劳问题较为突出。应按疲劳强度和疲劳寿命来设计结构。3）环境条件o在结构设计中，应明确结构的使用目的，要求完成的使命，而且还要明确它在保管、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。1.力学条件

5、：加速度、冲击、振动、声音等；2.物理条件：压力、温度、湿度等；3.气象条件：风雨、冰雪、日光等；4.大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等。o前两个条件主要影响结构的强度和刚度，是与材料的力学性能有关的条件；后两个条件主要影响结构的腐蚀、磨损、老化等，是与材料的理化性能有关的条件。o要注意积累复合材料的变质、磨损、老化等长期性能变化的数据。4）结构的可靠性和经济性o结构的可靠性是指结构在规定的使用寿命内，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。o由

6、于结构破坏主要为静载荷破坏和疲劳断裂破坏，所以结构可靠性分析的主要方面也分为结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。o结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性两方面。o一般来说，要提高可靠性就得增加初期成本，o而维修成本是随可靠性增加而降低的，所以总成本最低时（即经济性最好）的可靠性为最合理。0.1.2材料设计o材料设计是指选用几种原材料组合制成具有所有要求性能的材料的过程。o材料设计包括原材料的选择、单层性能的确定和复合材料层合板设计。1、原材料的选择1）原料选择的原则1.比强度大、比刚度高.2.材料与结构的使用环境相适

7、应,通常要求材料的主要性能在结构整个使用环境条件下，其下降幅值不大于10%。3.满足结构特殊性能要求.4.满足工艺要求，包括预浸料工艺、固化成型工艺、机加工装配工艺和修补工艺四个方面。5.成本低、效率高，成本包括初期成本和维修成本，初期成本包括材料成本和制造成本。2）纤维选择o选择纤维规格，是按比强度、比刚度和性能价格比选取的。选择纤维时首先要确定纤维的类别，其次要确定纤维的品种规格。1.若要求有良好的透波、吸波性能，可选用E或S玻璃纤维、开芙拉纤维、氧化铝纤维等。2.若要求高刚度，可选用高模量的碳纤维或硼纤维。3.若要

8、求有高的抗冲击性能，可选用玻璃纤维、开芙拉纤维。4.若要求有很好的低温工作性能，可选用低温下不脆化的碳纤维。5.若要求尺寸不随温度变化,可选用开芙拉纤维或碳纤维,可设计成零膨胀的复合材料.6.若要求既有较大强度又有较大刚度，可选用碳纤维或硼纤维。7.还可由多种纤维混合构成混杂复合材料。3)树脂的选择o目前可供选择的树