关系。 宏观力学：层合板的刚度与强度分析、湿热环境的影
响等等。
2、复合材料结构设计过程 （教材P87)
复合材料结构设计是选用不同材料综合各种设计 （如层合板设计、典型结构设计、连接设计等） 的反复过程。
需考虑的一些主要因素：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、设计经验
材料设计包括原材料选择、单层性能的确定和复 合材料层合板设计。
在此以聚合物基的复合材料的设计为例
1. 原料选择 （1）原材料选择原则
① 比强度、比刚度高； ② 材料与结构的使用环境相适应； ③ 满足结构特殊性要求； ④ 满足工艺性要求； ⑤ 成本低、效益高。
（2）纤维选择 选择纤维时，首先要确定纤维的类别，其次要确
一次结构
固体力学
二次结构
三次结构
一次结构是指由基体和增强材料复合而成的单层材料，其 力学性能决定于组分材料的力学性能、相几何(各相材料的 形状、分布、含量)和界面区的性能。
二次结构是指由单层材料层合而成的层合体，其力学性能 决定于单层材料的力学性能和铺层几何(各单层的厚度、铺 设方向、铺层序列) 。
隔绝外界的环境状态而保护内部物体
载荷情况
静载荷：指缓慢的由零增加到某一数值后就保持不变 或变动的不显著的载荷。
动载荷：指能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。
结构的可靠性与经济性
图2：结构成本与可靠性的关系 结构可靠性分析可分为结构静强度可靠性和结构疲劳寿命可靠性。
纤维量少，取决于基体
纵向压缩强度
c 2Vf
Vf E f Em 3(1Vf )
c
Gm 1Vf
最后以实验校核为准。
取计算结果小者
3. 层合板设计(P96)
内容包括：确定铺层取向，铺层顺序，层合厚度。
0∘ ⊥45∘
0/90∘ 0/+45/90/-45∘
1）铺设技术要点和原则（P96）：
①对称铺设：与主应力方向、厚度中心对称。
第九章 复合材料的结构设计
主要内容
1、复合材料结构设计的概念和基础 2、复合材料的设计过程 3、复合材料设计的举例
一、复合材料的结构设计基础 （教材P8-9）
复合材料本身是非均质、各向异性材料，因此，复合材料力学在经典 非均质各向异性弹性力学基础上得到迅速发展。
复合材料不仅是材料，更确切的说是结构。
2.1 复合材料结构设计过程
性能要求 载荷情况 环境要求 形状限制
源材料选择
铺层性能确定
应力与变形 分析
层合板设计
失效分析
明确设计条件
材料设计
典型构件分析
结构设计
结构设计
图1：复合材料结构设计综合过程图
（1）明确设计条件。如结构性能要求、载荷情况、环境 条件、形状限制、结构可靠性与经济性等
（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
性树脂，另一类为热塑性树脂。
热固性树脂包括环氧、酚醛、聚酯、聚酰 亚胺树脂 热塑性树脂如聚砜、聚醚砜、聚醚醚酮、 尼龙等。
（3）树脂的选择 ①要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工
作。 ②要求基体材料具有一定的力学性能。 ③要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤维的断
裂伸长率，以确保充分发挥纤维的增强作用。 ④要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学
性能 ⑤要求具有一定的工艺性
①受力结构件首选热固性树脂，大量使用、连续挤 压次受力件可选热塑性树脂（如建筑装饰）；
②<150℃，聚酯或环氧； ③150～400℃,聚酰亚胺或双马来酰亚胺树脂； ④内装饰件，酚醛树脂（阻燃性好）。
2. 单层性能的确定 目的： 为层合板设计提供依据 —— 强度、刚 度 一般过程： 确定复合比 → 性能预测 → 实验校核
（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（如刚架、硬壳式 结构等）的设计。
2.2 复合材料结构设计条件
结构性能要求 载荷情况 环境条件 结构的可靠性与经济性
复合材料结构设计பைடு நூலகம்件
结构性能要求
结构所能承受的各种载荷，确保在使用寿命内的安全
提供装置各种配件、仪器等附件的空间。对结构形 状和尺寸有一定限制
（1）确定复合比 复合比一般是根据单层的承力性质或单层的使
用性能选取的。
（2）刚度预测与核定 理论推测，实验核定。
（3）强度预测与核定 横向强度预测困难，以实验为准。 纵向拉伸强度(纤维延伸率小，首先断裂)
c f max Vf m Vm 纤维量多，取决于纤维
c mmax Vm
总成本最低时（即经济性最好）的可靠性为最合理。
环境条件
力学条件：加速度、冲击、振动、声音等
物理条件：压力、温度、湿度等
气象条件：风雨、冰雪、日光等 大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙 等
条件①和②主要影响结构的强度和刚度， 条件③和④主要影响结构的腐蚀、磨损、老化等。
2.3 材料设计
材料设计，通常是指用几种原材料组合成具有所 要求性能的材料的过程。原材料包括基体材料和 增强材料。
复合材料的设计
结构设计 铺层设计 单层材料设计
确定产品结构的形状和尺寸
对铺层材料的铺层方案做出合理安排， 决定层合板性能
正确选择增强材料、基体材料及其配 比，决定单层板的性能
复合材料结构设计的基础
复合材料力学是复合材料结构设计的基础。复合材料 力学主要在单层板和层合板这两个结构层次上展开。
复合材料力学的研究内容可以分为： 微观力学：研究纤维、基体组份性能与单向板性能的
定纤维的品种规格。
选择纤维类别，是根据结构的功能选取能满足一 定的力学、物理和化学性能的纤维。 选择纤维规格，是按比强度、比刚度和性价比选 取的。
①高强度，高刚度 高性能CF、BF
②高抗冲击
GF、KF
③低温性能
CF
④尺寸稳定
KF、CF
⑤透波，吸波
GF、KF、Al2O3
（3）树脂选择 目前可供选择的树脂主要有两类：一类为热固
三次结构是指通常所说的工程结构或产品结构，其力学性 能决定于层合体的力学性能和结构几何。
复合材料设计的三个层次
- 파트너와의 협력은 전략적 자산 - Supply Chain를 활용한 경쟁 우위 확보
- 고객 정보, 고객 관계는 전략적 자산 - 다양한 채널을 통합한 고객 서비스 제공