而在最终设计阶段，单层性能的确定需要用试验 的方法直接测定。
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6.2.2 单层性能的确定
A 单层树脂含量的选择
一般根据单层的承力性质或单层的使用功能选
取
单层的功用
固化后树脂的质量含量(%)
主要承受拉伸、压缩、弯曲载荷
27
主要承受剪切载荷
30
用作受力构件的修补
35
主要用作外表层防机械损伤和大气老化
强度
刚度 断裂伸长率
耐湿性 热膨胀系数
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玻璃/树脂 低 大 容易 中等 良好 多 丰富
较好
低 大 差 适中
凯夫拉49/树脂 中等 小 困难 好 最佳
厚度规格较少 不多
比拉伸强度最高 比压缩强度最低
中等 中等 差 沿纤维方向接近零
碳/树脂 高 中等
较容易 差
不透电波 厚度规格较少
较多 比拉伸强度最高 比压缩强度最高
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6.1.2 设计条件
D 结构的可靠性与经济性
结构的可靠性：指结构在所规定的使用寿命内， 在给予的载荷情况和环境条件下，充分实现 所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。
结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性
两方面。一般来说，要提高可靠性就得增加
结构性能 要求
结构的可 靠性与经
济性
设计 条件
载荷情况
环境条件
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6.1.2 设计条件
A 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的限制 隔绝外界的环境状态而保护内部物体
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6.1.2 设计条件
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6.2.2 单层性能的确定
前面章节所使用的混合法则，即单层性能与体积 含量成线性关系的法则，仅适用于较为特殊的一类复 合材料。
对于一般的层合结构复合材料，已知原材料的性 能欲确定单层的性能时较为困难的。
然而，设计的初步阶段，为了层合板设计、结构 设计的需要，必须提供必要的单层性能参数，特别是 刚度和强度参数。为此，通常需要利用细观力学方法 推得的预测公式来进行计算。
第6章 复合材料结构设计
§6.1 概述 §6.2 材料设计 §6.3 结构设计
6.1.1 复合材料结构设计过程 6.1.2 设计条件
§6.1 概述
6.1.1 复合材料结构设计过程
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，典型结构件设计、连接设计等)的反复 过程。在综合过程中必须考虑的一些主要因素有：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。复合材料结构设计 的综合过程如图所示，大致分为三个步骤：
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6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
B 纤维选择
首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规
格
良好的透波、吸波性能
• E或S玻璃纤维、凯夫拉纤维、氧化铝纤维等
高刚度 • 高模量碳纤维、硼纤维
高抗冲击性 • 玻璃纤维、凯夫拉纤维2009-12-12 Nhomakorabea12
6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
B 纤维选择
首先确定纤维的类别，其次确定纤维的品种规
格
低温工作性能
• 低温不脆化的碳纤维
尺寸对温度不敏感 • 凯夫拉纤维或碳纤维(热膨胀系数可为负值)
高强度、高刚度
• 碳纤维或硼纤维(比强度和比刚度)
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表6-1 几种纤维增强树脂的特点
项目 成本 密度 加工 抗冲击性能 透波性 可选用形式 使用经验
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6.2.2 单层性能的确定
B 刚度的预测公式 选择代表性体积单元 σ1 如右图所示
2
σ1
1
L
ΔL
式中：
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(6-2)
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6.2.2 单层性能的确定
式(6-2)可改写为下面形式：
(6-3)
式中：
(6-4)
分别为单层的纤维体积含量和基体体积含量。
②纤维和基体有相同的线应变，且都等于单元的纵向 线应变，于是有：
B 载荷情况 静载荷：缓慢地由零增加到某一定数值以后就
保持不变或变动得不显著的载荷。 动载荷：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。
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6.1.2 设计条件
C 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、日光灯等 大气条件：放射线、霉菌、盐雾、风沙等
初期成本，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)可靠
性最为合理。
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6.2.1 原材料的选择与复合材料性能 6.2.2 单层性能的确定 6.2.3 复合材料层合板设计
§6.2 材料设计
6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
A 原材料的选择原则 比强度、比刚度高 材料与结构的使用环境相适应 满足结构特殊性要求 满足工艺性要求 成本低、效益高
70
主要用作防腐蚀
70~90
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6.2.2 单层性能的确定
体积含量与质量含量之间的关系为：
(6-1)
式中：
另外，在最终设计阶段，一般为了单层性能参数 的真实可靠，使设计更为合理，单层性能的确定需用 试验的方法。可依据国家标准3352-88和3355-88来执行。
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高 小 好 沿纤维方向接近零
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6.2.1 原材料的选择与复合材料性能
C 树脂选择
主要有热固性和热塑性树脂可供选择
要求基体材料能在使用温度范围内正常工作
要求基体材料具有一定的力学性能
要求基体材料的断裂伸长率大于或接近纤维的 断裂伸长率
要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学 性能
要求具有一定的工艺性
(6-5)
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6.2.2 单层性能的确定
③单层、纤维和基体都是线弹性的，都服从胡克定律， 于是有：
(6-6)
将式(6-5)和(6-6)代入式(6-3)可得：
(6-7)
由于
(6-8)
所以式(6-7)又可写为：
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(6-9)
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6.1.1 复合材料结构设计过程
性能要求 载荷情况 环境条件 形状限制
1
2 原材料选择 铺层性能确定 层合板设计 3典型构件设计 结构设计
应力与应变分析 失效分析
4
1) 明确设计条件 2) 材料设计
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3) 结构设计 4) 应力应变及失
效分析
4
6.1.2 设计条件