一、復合材料的定義與構造特點

 1）復合材料的定義

    復合材料——由兩個或兩個以上獨立的物理相（粘結材料和顆粒、纖維或片狀材料）所組成的一種固體產物。

                定義中說的物理相，可以是連續的，也可以是不連續的。連續相稱為基體材料；不連續相（分散相）稱為增強材料。

    增強材料——起承受載荷的作用，主要提供復合材料的力學性能，其幾何形式有長纖維、短纖維和顆粒狀物等多種；

    基體材料——起著粘結、支撐、保護增強材料和傳遞應力的作用，主要提供復合材料的物理、化學性能，常采用橡膠、石墨、樹脂、金屬和陶瓷等。

 2）復合材料的主要特點

    1）復合材料的性能具有可設計性

    2）材料和結構具有同一性

    3）復合材料結構設計包含材料設計

    4）材料性能對復合工藝的依賴性

    5）復合材料具有各向異性和非均質性

 3）復合材料的構造特點

   復合材料與其說是材料，不如說是結構更確切。因此復合材料結構可分為

   三個結構層次：

   單層板（一次結構）

   層合板（二次結構）

   工程結構（三次結構）

 4）復合材料結構設計特點

   復合材料結構設計也分為三個層次：

   單層設計——正確選擇増強材料和基體，確定組分比。

   （單層材料性能設計）

   層合板設計——確定單層層數、鋪設方向和鋪設順序。

   （鋪層設計，或層合板性能設計）

   結構設計——根據結構安全性計算分析確定結構尺寸和壁厚

二、復合材料結構設計基本方法

 1）復合材料產品設計過程

 2）復合材料產品設計的內容

   ◆性能（材料）設計

     根據產品的技術要求和使用條件，對組分材料進行選擇、對復合材料的性能（包括力學性能、物理性能、化學性能等）進行設計。具體的內容包括增強材料、基體材料、功能輔助材料的選擇；組分比設計；鋪層設計等。（一次結構和二次結構設計）

   ◆結構設計（三次結構設計）

     根據載荷、介質、環境條件，結合工藝與材料性能，通過計算分析與強度、剛度、穩定性校核，設計出不使產品發生破壞和過大變形的產品尺寸，既確保安全，又減少材料消耗。

   ◆工藝設計

     針對產品的特點、性能要求和數量，選擇合適的成型工藝方法，使該產品不僅成型方便、質量穩定，而且成本較低。

    在產品設計過程中，以上三個方面相互關聯，是一個有機的整體，必須同時進行。在材料設計時要考慮到其工藝性，結構設計中包含了材料設計，材料與結構往往在同一工藝過程中一次成型。

 3）復合材料結構設計基本方法

 A）結構計算方法

   ◆解析法（按設計標準進行設計）

     考慮到材料的各向異性，通過適當的簡化，采用材料力學、結構力學、板殼力學的方法，或者完全復合材料力學方法，計算結構的受力與變形情況，從而確定結構的壁厚尺寸。

     該方法簡便，易被工程界所接受。目前一些標準化的復合材料產品，其設計標準都是采用這種方法。但是，對于有些結構復雜的產品或異形結構產品，很難對產品結構進行整體計算分析。

   ◆數值分析法（計算機輔助結構設計）

     隨著計算機科學以及計算力學的發展，采用有限元數值分析方法對復合材料結構進行計算分析，已逐步引起人們的重視，且已用于復合材料結構設計中。該方法根據產品結構的形狀、載荷與支承條件建立有限元分析模型，利用商用計算軟件對產品結構進行整體計算，可得到產品結構的應力與變形分布，不需做過多的假設，不受產品形狀限制。

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 B）結構安全性判斷

其中：

  工作應力——在外力標準確定后，用結構計算方法求解得到

  極限強度——根據使用環境下的材料試驗或結構試驗確定

   ?以材料的破壞強度為基準進行設計時，極限強度就是材料的破壞強度。

   ?以結構的剛度或穩定性（屈曲）作為設計基準時，“極限強度”可以是結構的最大變形、極限應變或屈曲壓力（應力）。

   安全系數——根據外力條件、成型條件、設計條件等因素確定

   我國目前進行玻璃鋼結構設計時，若用靜態特性作為強度極限，其強度安全系數通常按下面情況取值：

   剛度（穩定性）安全系數則取值較小，約為強度安全系數的60%~70%

來源：  玻纖復材

作者晏石林