层合板的刚度与强1度.ppt

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1、3.1.1 层合板的表示方法层层合合板板是是由由两两层层或或者者两两层层以以上上按按不不同同方方向向配配置的单层板层合形成的整体。置的单层板层合形成的整体。上表面中面下表面中面是距离层合板上下表面相等的面。按照各单层板相对于中面的排列位置，层合板可分为对称层合板对称层合板、非对称层合板和夹心层合板3大类。10/28/202213.1.1 层合板的表示方法对称层合板是指层合板中面两侧对应处的各单层各单层材料相同、铺层角相等材料相同、铺层角相等的层合板。目前，复合材料板一般都设计为对称层合板。(3-1)10/28/202223.1.1 层合板的表示方法层合板的简明标记方法：1)偶偶数数层层对对称称

2、层层合合板板：对称铺层只写出一半，括号外加写下标“s”表示对称。2)奇奇数数层层对对称称层层合合板板：在对称中面上的铺层用顶标“”表示。3)非非对对称称层层合合板板，必须在标记中标明全部铺层组的铺设顺序。例如：05/902/45/90/03。这种层合板标记，仅表明由底面向上至顶面的铺设顺序，而不能相反。10/28/202233.1.1 层合板的表示方法10/28/202243.1.1 层合板的表示方法10/28/202253.1.1 层合板的表示方法10/28/202263.1.2 面内力与面内应变的关系层层合合板板面面内内刚刚度度的的基基本假设：本假设：1)层合板只承受面内力作用，只引起面内

3、形变，不引起弯曲形变；2)层合板为薄板，即板的厚度远远小于长度和宽度；3)层合板各单层粘接牢固，具有相同的变形。层合板厚度方向上坐标为z的任一点的应变都等于中面的应变。(3-2)10/28/202273.1.2 面内力与面内应变的关系图中的Nx,Ny,Nxy为面内力，即层合板内单位宽度上的内力。单位为帕米(Pa m)或牛顿/米(N/m)。定义任意一个单层k的应力为此单层的厚度为dz则k单层x方向的面内力为将每一个单层的面内力叠加，得到厚度为h的层合板在x方向的面内力为：10/28/202283.1.2 面内力与面内应变的关系同理，可求出Ny和Nxy，即：(3-3)将式(2-9)代入式(3-3)

4、，并考虑式(3-2)，可求出面内力和面内应变的关系。10/28/202293.1.2 面内力与面内应变的关系求得：式中(3-4)Aij称为层合板的面内称为层合板的面内刚度刚度系数系数且有Aij=Aji将式(3-4)作逆变换，得到面内应变与面内力的关系：(3-5)aij称为层合板的面内称为层合板的面内柔度柔度系数系数式中(3-4a)10/28/2022103.1.2 面内力与面内应变的关系为了使层合板的面内刚度能直接和单层的模量相比较，将层合板的面内刚度系数作正则化处理，将式(3-4)两端同时除以h：(3-6)式(3-4)和(3-5)可分别变形为：(3-8)(3-7)10/28/2022113.

5、1.2 面内力与面内应变的关系上一页中：为正则化面内刚度系数为正则化面内柔度系数为正则化面内力，实质上就是对称层合板的平均应力，简称层合板应力，量纲为应力量纲(Pa或N/m2)。当对称层合板为单向层合板时，正则化面当对称层合板为单向层合板时，正则化面内刚内刚(柔柔)度系数变为单层的模度系数变为单层的模(柔柔)量分量。量分量。10/28/2022123.1.3 对称层合板的面内工程弹性常数当对称板仅受x方向单向拉伸(压缩)时，式(3-8)变为：定义：面内拉压弹性模量面内泊松耦合系数面内拉剪耦合系数(3-9)10/28/2022133.1.3 对称层合板的面内工程弹性常数同理，仅受y方向单向拉伸(

6、压缩)时，面内拉压弹性模量面内泊松耦合系数面内拉剪耦合系数同理，仅受xy方向剪切应力时，面内剪切弹性模量面内剪拉耦合系数面内剪拉耦合系数(3-10)(3-11)10/28/2022143.1.3 对称层合板的面内工程弹性常数当层合板具有正交各向异性的性能，且参考轴也正好与正交各向异性的主方向重合时，则(3-9)(3-11)可表示为如下形式：(3-9a)式中(3-10a)此时(3-11a)10/28/2022153.1.3 对称层合板的面内工程弹性常数根据式(3-9)(3-11)，将式(3-8)写成矩阵形式：(3-12)在已知层合板载荷条件时，由上式求面内应变较为方便。在进行层合板设计时，使用工

7、程弹性常数也较为方便。10/28/2022163.1.4 面内刚度系数的计算将式(2-16)代入(3-4a)，并考虑式(3-6)，得正则化面内刚度系数的计算式：(3-13)式中(3-14)10/28/202217式中 为某一定向层的体积含量，ni为某一定向层的层数，l为定向数。3.1.4 面内刚度系数的计算式(3-14)称为正正则则化化的的几几何何因因子子，分别表示层合板中各单层方向倍角或4倍角的正弦或余弦函数的算术平均值。对于偶数层的对称层合板，还可以写为如下的和式：(3-15)式(3-14)和(3-15)是算术平均值的含义，因此还可变形为：(3-16)10/28/2022183.1.5 几

8、种典型对称层合板的面内刚度1)正交铺设对称层合板正交铺设对称层合板各个单层只按0 o和90 o方向铺设的对称层合板称为正交铺设对称层合板。由式(3-16)可得：按式(3-13)，并利用式(2-17)，得到：(3-17)(3-18)10/28/2022193.1.5 几种典型对称层合板的面内刚度由式(3-18)可看出：随V(90)的增加从Q11线性减小到Q22随V(90)的增加从Q22线性增加到Q11不变，分别为单层材料的模量Q12和Q66即无拉剪和剪拉耦合效应由正则化面内刚度系数矩阵求逆，可得正则化面内柔度系数矩阵为：(3-19)10/28/2022203.1.5 几种典型对称层合板的面内刚度

9、2)斜交铺设对称层合板斜交铺设对称层合板凡各个单层只按两种方向铺设的对称层合板称为斜交铺设对称层合板。p两种方向的层数相同，则称为均衡斜交铺设对称层合板p两种方向层数不同，则称为非均衡斜交铺设对称层合板本书研究的是均衡斜交铺设对称层合板。式(3-16)可变为：(3-20)10/28/2022213.1.5 几种典型对称层合板的面内刚度将式(3-20)代入式(3-13)，并与式(2-17)比较，得：(3-21)式中上标表示铺层角为时单层的偏轴模量分量。10/28/2022223.1.5 几种典型对称层合板的面内刚度3)准各向同性层合板准各向同性层合板面内各个方向的刚度相同，且无拉剪或剪拉耦合效应

10、的对称层合板称为准各向同性层合板。这种层合板与各向同性层合板的区别是：1.它可以是由正交各向异性的单层组成的；2.它的厚度方向上的刚度不一定与面内刚度相同；3.它的弯曲刚度性能也不是各向同性的。10/28/2022233.1.5 几种典型对称层合板的面内刚度4)一般一般/4层合板层合板各个单层均按0 o、90 o、45 o和-45 o方向的一种或几种铺设的对称层合板称为一般/4层合板。一般/4层合板是目前工程上主要应用的一类层合板。10/28/202224试确定T300/4211复合材料构成的06/906s在正则化面内力 作用下的各层应力和应变，并按最大应力失效准则校核强度。已知安全系数n=2

11、。解：解：1)计算根据式(3-18)得：例题10/28/202225例题2)计算10/28/202226例题3)计算面内应变根据式(3-8)得：10/28/202227例题4)计算各层应变 0o层 90o层10/28/202228例题5)计算各层应力 0o层 90o层10/28/202229例题6)各层强度校核查表得：许用应力为：因为所以，层合板06/906s的各层均安全！10/28/2022303.1.6 对称层合板面内刚度的转换前述对称层合板的面内刚度是参考轴x设在所述层合板中单层方向的0 o向给出的，为此，需要讨论层合板在任意参考轴下的面内刚度。设：则有：(3-22)(3-23)10/2

12、8/2022313.1.6 对称层合板面内刚度的转换式(3-13)可以改写为：(3-24)且有：10/28/202232例题试求斜交铺设对称层合板30/-30s的相位角。解：解：根据式(3-20)有又根据式(3-22)可知10/28/2022333.2.1 弯曲力矩与曲率的关系作如下假设来近似处理层合板的弯曲问题：1.层合板的刚度是中面对称的，弯曲时几何中面就是中性曲面中性曲面，即在小变形情况下几何中面各点没有平行于中面的位移。2.直法线假设：弯曲前层合板内垂直于几何中面的直线段在弯曲后仍保持为垂直于弯曲后中面的直线，且直线段的长度不变。3.忽略z，各铺层按平面应力平面应力状态进行分析。10/

13、28/2022343.2.1 弯曲力矩与曲率的关系w是对应于z轴方向的位移u是对应于x轴方向的位移v是对应于y轴方向的位移根据假设2，根据以上假设，定义：所以位移w与坐标z无关，仅为x和y的函数，即w=w(x,y)同样根据假设2，中面法线变形后仍为中面法线，故得 xz=yz=010/28/2022353.2.1 弯曲力矩与曲率的关系即对z求积分，得依据假设1，在z0处，u=v=0,所以c1(x,y)=c2(x,y)=0由此，可以用位移w来表达其他应变分量。10/28/2022363.2.1 弯曲力矩与曲率的关系根据微分几何可知：分别为层合板的曲率和扭率Kx、Ky、Kxy。所以上式可写为x=zK

14、x y=zKy xy=zKxy 为了确定层合板的弯曲刚度，需定义引起弯曲变形的力矩，它们是层合板各铺层应力的合力矩。10/28/2022373.2.1 弯曲力矩与曲率的关系依据假设3，将各铺层应力应变关系式代入，得即由于kx、ky、kxy与坐标z无关，所以上式可写成下式：式中称为层合板的弯曲刚度系数层合板的弯曲刚度系数，而且Dij=Dji(3-25)就是对称层合板的弯曲力矩曲率关系式。(3-25)(3-26)10/28/2022383.2.1 弯曲力矩与曲率的关系 为了使同一块层合板的弯曲刚度系数与面内刚度系数易于比较，以及与单向层合板相关联，因此进行正则化处理，M*=6M/h2 K*=Kh/

15、2 Dij*=12Dij/h3 正则化弯曲力矩M*在数字上相当于假设弯曲变形引起的应力为线性分布时的底面应力。正则化曲率k*是弯曲变形引起的底面应变。【注意】对称层合板的应变是线性分布的，而应力一般不是线性分布的，所以kx*是底面的真实应变，而Mx*一般不是底面的真实应力。如果对称层合板为单向层合板，则弯曲时应力沿厚度是线性分布。Mx*、My*、Mxy*也就变成底面的真实应力。10/28/2022393.2.1 弯曲力矩与曲率的关系所以式(3-25)可变为：作逆变换得：(3-27)(3-28)Dij*和和dij*分别称为层合板的正则化弯曲刚度系数和正则分别称为层合板的正则化弯曲刚度系数和正则化

16、弯曲柔度系数。化弯曲柔度系数。10/28/2022403.2.2 对称层合板的工程弹性常数类似于前面求工程弹性常数的方法，可在式(3-28)中：1)令定义x轴向：弯曲弹性模量弯曲泊松耦合系数弯扭耦合系数(3-29)10/28/2022413.2.2 对称层合板的工程弹性常数同理，y方向上有：同理，xy方向上有：弯曲弹性模量弯曲泊松耦合系数弯扭耦合系数(3-30)扭转弹性模量扭弯耦合系数扭弯耦合系数(3-31)10/28/2022423.2.2 对称层合板的工程弹性常数若层合板具有弯曲正交各向异性性能，且参考轴也正好与弯曲正交各向异性的主方向重合，此时有则(3-27)(3-30)可表示为如下形式

17、：(3-32)式中(3-33)此时(3-34)10/28/2022433.2.3 弯曲刚度系数的计算将式(2-16)代入(3-26)，并考虑式Dij*=12Dij/h3,得正则化面内刚度系数的计算式：(3-35)式中(3-36)10/28/2022443.2.3 弯曲刚度系数的计算式(3-36)称为弯弯曲曲刚刚度度系系数数的的正正则则化化几几何何因因子子。对于偶数层的对称层合板，还可以写为如下的和式：(3-37)式中n是层合板中单层的总数。k是从中面至底面的顺序。10/28/2022453.2.4 几种典型对称层合板的弯曲刚度1)单向层合板单向层合板对于单向层合板，有：如果将参考坐标系置于单向

18、层合板的正轴方向，则由于单层的正轴模量分量10/28/2022463.2.4 几种典型对称层合板的弯曲刚度此时：(3-38)(3-39)10/28/2022473.2.4 几种典型对称层合板的弯曲刚度2)正交铺设对称层合板正交铺设对称层合板正交铺设对称层合板的正则化弯曲刚度系数，在同样的定向层数比，即0与90层的层数比为一定的情况下，不同的铺层顺序也会得到不同的弯曲刚度系数。例如04/904s、02/9022s、0/904s，它们的总数都是16层，单层组数分别为m=2,m=4,m=8。根据式(3-37)可得：10/28/2022483.2.4 几种典型对称层合板的弯曲刚度所以，上述规则正交铺设

19、对称层合板的正则化弯曲刚度系数为：(3-40)对于层数比为1:1的正交铺设对称层合板，此时：10/28/2022493.2.4 几种典型对称层合板的弯曲刚度3)斜交铺设对称层合板斜交铺设对称层合板斜交铺设对称层合板的正则化弯曲刚度系数，在两种方向的层数相同的情况下，不同的铺层顺序也会得到不同的弯曲刚度系数。例如4/-4s、2/-22s、/-4s，它们的总数都是16层，单层组数分别为m=2,m=4,m=8。根据式(3-37)可得：10/28/2022503.2.4 几种典型对称层合板的弯曲刚度所以，上述斜交铺设对称层合板的正则化弯曲刚度系数为：(3-41)对于层数比为1:1的正交铺设对称层合板，

20、此时：10/28/2022513.2.4 几种典型对称层合板的弯曲刚度4)准各向同性层合板准各向同性层合板仅讨论一类总层数为24层，按如下规律铺设得到的准各向同性层合板-604/04/604s,-602/02/6022s,-60/0/604s,它们的单层组数分别为m=3,m=6,m=12。根据式(3-37)可得：10/28/2022523.2.4 几种典型对称层合板的弯曲刚度所以，上述准各向同性对称层合板的正则化弯曲刚度系数为：(3-42)10/28/2022533.2.5 对称层合板弯曲刚度的转换式(3-35)可以改写为：且有：1D与与2D称为正则化弯曲刚度系数转换的相位角称为正则化弯曲刚度

21、系数转换的相位角(3-45)(3-46)10/28/202254思考题设有T300/4211复合材料正交铺设对称层合板04/904s制成的梁，截面尺寸为b，h，跨度l，梁的中点载荷P=10N。试求梁中点的正则化曲率。10/28/2022553.2.5 对称层合板弯曲刚度的转换前述对称层合板的弯曲刚度是参考轴x设在所述层合板中单层方向的0 o向给出的，为此，需要讨论层合板在任意参考轴下的弯曲刚度。设：(3-43)(3-44)10/28/2022563.3.1 内力-应变关系前面我们讨论的是对称层合板，因此，当受有面内力时将引起面内变形而无弯曲变形，当受有弯曲力矩时将引起弯曲变形而无面内变形。但对

22、于非对称层合板，一般情况下，面内力还将引起弯曲变形，或弯曲力矩还将引起面内变形，即存在拉拉弯弯耦耦合合或或弯弯拉拉耦耦合合。所以，一般层合板的刚度系数除了面内刚度系数和弯曲刚度系数外，还存在耦合刚度系数。3.3.1 内力-应变关系p介绍面内力与面内应变的关系p介绍弯曲力矩和曲率的关系p本节，面内力和弯曲力矩统称为内力(广义内力)，面内应变和曲率统称为应变(广义应变)利用前两节中介绍应变关系，可得到一般层合板的应变关系为：(3-47)10/28/2022583.3.1 内力-应变关系将式(3-47)代入面内力和弯曲力矩的定义式，得到一一般般层合板的内力层合板的内力-应变关系应变关系为：(3-48

23、)式中称为层合板的耦合刚度系数层合板的耦合刚度系数(3-49)10/28/2022593.3.1 内力-应变关系对式(3-49)作正则化处理：(3-50)则式(3-48)可变为如下正则化形式：(3-51)或简写为：(3-52)10/28/2022603.3.1 内力-应变关系(3-53)对式(3-51)作逆变换，得到：10/28/2022613.3.1 内力-应变关系或简写为：(3-54)式中：(3-55)是正则化面内柔度系数是正则化耦合柔度系数是正则化弯曲柔度系数(3-56)且有：10/28/2022623.3.1 内力-应变关系除了除了ij*以外，其它的刚度和柔度系数均具有对称性以外，其它

24、的刚度和柔度系数均具有对称性Aij*=Aji*Bij*=Bji*Dij*=Dji*ij*=ji*ij*=ji*若为对称层合板，由于B*=0，所以特别注意：(3-58)(3-57)即对称层合板不存在拉弯耦合。对称层合板同时受有面内力和弯曲力时，只需分别求其应变，然后叠加即可。10/28/2022633.3.2 一般层合板的工程弹性常数对称层合板中的面内工程弹性常数和弯曲工程弹性常数，在一般层合板中同样存在，只不过aij*和dij*分别被ij*和ij*代替。除此之外，一般层合板还存在面内形变和弯曲形变之间的18个耦合工程弹性常数个耦合工程弹性常数：拉弯耦合系数拉扭耦合系数剪弯耦合系数剪扭耦合系数(

25、3-59)(3-60)(3-61)(3-62)10/28/202264弯剪耦合系数3.3.2 一般层合板的工程弹性常数弯拉耦合系数扭拉耦合系数扭剪耦合系数(3-59)(3-60)(3-61)(3-62)一般层合板的刚度系数、柔度系数和工程弹性常数均有36个，其中独立的个数为18.10/28/2022653.3.3 一般层合板刚度系数的计算一般层合板面内刚度系数与弯曲刚度系数的定义表达式与对称层合板相同，由于一般层合板不存在中性对称性，所以计算正则化几何因子时必须改用如下形式的公式：(3-63)10/28/2022663.3.3 一般层合板刚度系数的计算(3-64)10/28/2022673.3

26、.3 一般层合板刚度系数的计算将式(2-16)代入式(3-49)，并作正则化处理，得到：(3-65)式中：(3-66)10/28/2022683.3.3 一般层合板刚度系数的计算对于偶数层的对称层合板，(3-66)式可写成：(3-67)10/28/2022693.3.5 一般层合板耦合刚度的转换前述一般层合板的刚度是参考轴x设在所述层合板中单层方向的0 o向给出的，前面已经讨论过面内刚度和弯曲刚度的参考轴的转换关系，为此，需要讨论层合板在任意参考轴下的耦合刚度转换关系。设：(3-81)(3-82)10/28/2022703.4 层合板的强度以不同方向的铺层迭合而成的多向层合板，其刚度是通过铺层

27、的刚度来预测的，其强度也将是通过铺层的强度来预测的。由于多向层合板是层合的结构形式，因此在外力作用下是逐层失效的。据此，多向层合板的强度指标一般有两个：在外力作用下，多向层合板最先一层失效时的层合板正则化内力称为最最先先一一层层失失效效强强度度，其对应的载荷称为最最先先一一层层失失效效载载荷荷；而最终失效（即层合板各铺层全部失效）时的层合板正则化内力称为极极限限强度强度，其对应的载荷称为极限载荷极限载荷。当然，最先一层失效强度合极限强度可以通过试验来测得，然而如果任何层合板其强度都通过试验才能给出，那么复合材料可设计性的优点就不能实现，而且要实测在各种可能应力状态下的层合板强度也是不可能的。1

28、0/28/2022713.4.1 最先一层失效强度确定层合板最先一层失效强度必须首先作层合板的单层应力分析，然后利用强度比方程计算层合板各个单层的强度比，强度比最小的单层最先失效，最先失效铺层失效时的层合板正则化内力即为多向层合板最先一层失效强度。10/28/2022723.4.2 极限强度一般来说，多向层合板用最先一层失效强度作为强度指标似乎太保守了，因为多向层合板一般在最先一层失效后仍能继续承受较高的载荷。通常，层合板在外力作用下一般是逐层失效的，最弱的单层失效后，只是改变了层合板的刚度特性，并不意味着整个层合板失效。当外力继续增大时，各单层应力要重新分配，整个层合板还能继续承受载荷。如此循环，直至全部单层失效。导致层合板所有导致层合板所有单层全部失效时的层合板正则化内力称为层合板的极限单层全部失效时的层合板正则化内力称为层合板的极限强度。强度。极限强度除以许用正则化内力为安全系数。10/28/202273