固体力学-专业课程设计论文-复合材料铺层
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1、单位代码 10006 学 号 分类号 密 级 公 开 专业课程设计(论文)复合材料铺层设计院（系）名称 专业名称 学生姓名 指导教师 2012年9月北京航空航天大学本科生专业课程设计（论文）任务书、专业课程设计（论文）题目：复合材料铺层设计 、专业课程设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：原始资料（数据）： 设计一块复合材料板（1m×1m×0.002m）（如图1），使其满足一定的刚度设计要求。原材料采用T300碳纤维增强的环氧树脂复合材料，整个复合材料板采用多层的复合材料单向板复合而成(如图2)，每一铺层中的纤维体积含量为55%，组份材料属性如表1所示。 图1.
2、 复合材料板 图2. 典型的对称铺层模式表1. 组份材料的力学性能参数E1/GPaE2/GPaG12/GPaG23/GPa1223T300 carbon fiber22013.89.04.80.20.25环氧树脂4.5-0.34- 设计技术要求： (a) 请采用对称铺层方式对平板结构进行铺层设计（铺层数设定为12层），校核刚度； (b) 由于该结构还需要参加机械连接，需要在板的Y方向的中心线上均匀打10个直径为12mm的孔(如图3，d=0.1m)，给出复合材料平板的X和Y方向等效刚度, 使得平板结构在X方向的刚度不小于45GPa，Y方向的刚度均不小于95 GPa。 图3. 带孔的复合材料平板、
3、专业课程设计（论文）工作内容：了解层合复合材料刚度计算的基本理论，完成复合材料层合板的初步铺层设计，并进行刚度校核；对带孔复合材料层板的等效刚度进行计算，并改进设计；撰写课程设计报告，完成课程设计内容。 、主要参考资料：1 张志民. 复合材料结构力学. 北京, 北京航空航天大学出版社, 1993 航空科学与工程 学院（系） 飞行器设计与工程 专业类 390517 班学生 崔联邦 专业课程设计（论文）时间： 2012 年 9 月 10 日至 2012 年 9 月 28 日答辩时间： 2012 年 9 月 27 日成 绩： 指导教师： 杨振宇 本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下
4、独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。作者： 签字：时间： 北京航空航天大学专业课程设计(论文)第 24 页复合材料铺层设计学 生： 指导老师： 摘要:本文针对特定的实际问题设计出了一种复合材料的铺层方式，设计的主要参数包括纤维体积含量，铺层的角度与各个角度的层数。采用的方法主要用ANSYS有限元软件进行建模分析，并利用EXCEL对数据进行了处理。最终获得满足设计要求的较为优化的铺层方案。关键词：复合材料，铺层，有限元分析Design of Composite LayersAuthor: Tutor: Abstract:This article mainly discu
5、ssed a method to determine the component of composite layers. The main parameters to determine are fiber volume content and the angle of each layer. The approaching methods include simulation by ANSYS and calculation by EXCEL. Finally, an optimal design is proposed and tested.Key words: Composite，La
6、yers，ANSYS FEM目录1绪论11.1 复合材料简介11.2 复合材料在航空领域的应用前景12设计要求32.1 已知条件32.2 设计要求33单向板的细观力学分析43.1 细观力学简介43.2 用材料力学方法分析刚度43.1.1 弹性模量E1的确定43.1.2 弹性模量E2的确定43.1.3 泊松比12的确定43.1.4 切变模量G12的确定44初始设计方案刚度分析54.1 单层板参数计算54.1.1 组份材料54.1.2 单层板弹性参数54.2 层合板初步铺层设计及校核55优化设计方案105.1 层合板铺层优化105.2 计算带孔板的等效刚度136结论187参考文献191 绪论1.1
7、 复合材料简介复合材料是由增强相、基体相和填加剂，通过人工复合工艺制造的具有多相细观结构的有特殊性能的新型固体材料系统。制作复合材料系统的目的是为了控制各相的分布和几何结构，从而得到相所不具备的一种或多种优良的性能，所以复合材料决不是几种不同材料的简单组合。先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点，是国防工业发展中最重要的一类工程材料。它具有良好的成形工艺性、高的比强度、高的比模量、低的密度、抗疲劳性、减震性、耐化学腐蚀性、良好的介电性能、较低的热导率等特点，广泛应用于军事工业中。在航空工业中，树脂基复合材料用于制造飞机机
8、翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道；在航天领域，树脂基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道的重要材料，而且可以制造固体火箭发动机燃烧室的绝热壳体，也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近年来研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强，微波介电性能佳，尺寸稳定性好等优点，广泛用于制作宇航结构件、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。1.2 复合材料在航空领域的应用前景 先进复合材料的主要应用对象是航空航天器结构。航空航天器结构对重量的要求可谓是“两两计较”，减轻结构重量对提高飞机和火箭的性能是至关重要的。先进复合材料正是具备了低密度高强度的优势，被越来越大量地应用于飞机、运载火箭、航天器和卫星等结构上。目前，
9、在航空航天器结构上用量最大的先进复合材料是碳纤维增强树脂复合材料。该材料的密度约为1.6 gcm3，仅为铝合金的60%。另外，这种材料具有整体成形的优点，可以大量节省连接结构件时使用的铆钉、螺栓等紧固件。用它代替铝合金，一般可以使飞机结构的质量减少20%，25%。以空客A380为例，其共用碳纤维复合材料约25%，估计约为36吨，减重目标为25%，其主要部位如下：中央翼、外翼、垂直尾翼、水平尾翼；机身尾段、后承压框和地板梁；机翼后缘的襟翼、副翼；固定机翼前缘；翼身整流罩、襟翼滑轨整流罩、起落架舱门等处整流罩；机身蒙皮壁板（大量采用一种名为GLARE的超混杂复合材料结构）。飞机设计一直与采用性能优
10、异的新材料密切相关，现在有一代飞机一代材料之说。纵观世界各种军、民机设计领域，以明显存在着飞机结构复合材料化的趋势，“复合材料是航空航天的未来”已被广泛接受，所以，对复合材料的研究必定是一个很有前景的课题。2 设计要求2.1 已知条件 图2.1. 复合材料板 图2.2. 典型的对称铺层模式某型飞机某处结构需要设计一块复合材料板(1m×1m×0.002m)（如图1），使其满足一定的刚度设计要求。原材料采用T300碳纤维增强的环氧树脂复合材料，整个复合材料板采用多层的复合材料单向板复合而成(如图2)，每一铺层中的纤维体积含量为55%（可设计），组份材料属性如表1所示。表2.1组
11、份材料的力学性能参数E1/GPaE2/GPaG12/GPaG23/GPa1223T300 carbon fiber22013.89.04.80.20.25环氧树脂4.5-0.34-2.2 设计要求(a)请采用对称铺层方式对图1中的平板结构进行铺层设计（铺层数设定为12层），使得平板结构在X方向的刚度不小于45GPa，Y方向的刚度均不小于95 GPa；(b)由于该结构还需要参加机械连接，需要在板的Y方向的中心线上均匀打10个直径为12mm的孔(如图3，d=0.1m)，给出复合材料平板的X和Y方向等效刚度。图2.3. 带孔的复合材料平板3 单向板的细观力学分析3.1 细观力学简介细观力学将各向异性
