复合材料层合板强度计算现状.pdf

复合材料层合板强度计算现状
作者：李炳田
1．简介
复合材料是指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料。一般复
合材料的性能优于其组分材料的性能，它改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。复合
材料从应用的性质可分为功能复合材料和结构复合材料两大类。功能复合材料主要具有特殊
的功能，例如:导电复合材料，它是用聚合物与各种导电物质通过分散、层压或通过表面导
电膜等方法构成的复合材料；烧灼复合材料，它由各种无机纤维增强树脂或非金属基体构成，
可用于高速飞行器头部热防护；摩阻复合材料，它是用石棉等纤维和树脂制成的有较高摩擦
系数的复合材料，应用于航空器、汽车等运转部件的制动。功能复合材料由于其涉及的学科
比较广泛，已不是单纯的力学问题，需要借助电磁学，化学工艺、功能学等众多学科的研究
方法来研究。结构复合材料一般由基体料和增强材料复合而成。基体材料主要是各种树脂或
金属材料；增强材料一般采用各种纤维和颗粒等材料。其中增强材料在复合材料中起主要作
用，用来提供刚度和强度，而基体材料用来支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷。结构
复合材料在工农业及人们的日常生活中得到广泛的应用，也是复合材料力学研究的主要对象，
是固体力学学科中一个新的分支。在结构复合材料中按增强材料的几何形状及结构形式又可
划分为以下三类：
1．颗粒增强复合材料，它由基体材料和悬浮在基体材料中的一种或多种金属或非金属颗
粒材料组合而成。
2．纤维增强复合材料，它由纤维和基体两种组分材料组成。按照纤维的不同种类和形状
又可划分定义多种复合材料。图1.1为长纤维复合材料的主要形式。

图1.1
3．复合材料层合板，它由以上两种复合材料的形式组成的单层板，以不同的方式叠合在
一起形成层合板。层合板是目前复合材料实际应用的主要形式。本论文的主要研究对象就是
长纤维增强复合材料层合板的强度问题。长纤维复合材料层合板主要形式如图1.2所示。

图1.2
一般来说，强度是指材料在承载时抵抗破坏的能力。对于各向同性材料，在各个方向上强
度均相等，即强度没有方向性，常用极限应力来表示材料的强度。对于复合材料，其强度的
显著的特点是具有方向性。因此复合材料单层板的基本强度指标主要有沿铺层主方向（即纤
维方向）的拉伸强度Xt和压缩强度Xc；垂直于铺层主方向的拉伸强度Yt和压缩强度Yc以
及平面内剪切强度S等5个强度指标。对于复合材料层合板而言，由于它是由若干个单层
板粘合在一起而形成的，而单向复合材料又是正交各向异性材料，层合板的各个铺层的纤维
排列方式不相同，可能导致因为受力作用所产生各铺层的变形不一致，因此，其如何决定其
最终强度就是一个非常复杂的问题。
复合材料层合板的强度是应用复合材料时所必须研究的关键性问题之一，如何确定其强度
是进行复合材料结构设计所必需解决的一个基本问题，是安全可靠合理经济地使用复合材料
的基础之一，因此对于复合材料强度的研究是复合材料领域内最早受到重视并开展研究较为
广泛的一个基础性工作。但是相对于各向同性材料来说，复合材料，特别是层合板的复合材
料的强度研究要困难的多。原因在于影响其强度的因素很多，而其破坏形式又很复杂，实验
数据较为分散。同传统的单相材料相比，复合材料强度问题的复杂性在于：
(1)细观结构受力的复杂性。从承受和传递应力系统的角度来看，复合材料可以视为一个
“结构”，即由两类“元件”纤维与基体所构成的结构。因此，复合材料的破坏与组分材料的破
坏特性有关。一般地说，纤维是刚硬的、弹性和脆性的；聚合物基体则是柔软的、塑性的或
者粘弹性的。复合材料就是由这两种性质差异甚大，但是具有互补性质的组分材料所构成的
在细观上很不均匀的“结构”。应该指出，极其复杂多样的界面情况，对复合材料的强度也起
着重要的影响。所以，复合材料的强度将取决于：组分材料的性态、纤维的体积率与方向、
纤维的表面处理、耦连剂和界面情况、基体的延伸率和韧性、工艺过程与质量、固化的温度、
工作环境的温度与湿度、受力情况、加载的时间和速率等等。
(2)宏观的破坏形式的多样性。复合材料的破坏形态与组分材料的各种破坏形式有关，可
能产生的破坏形态有：纤维断裂、纤维屈曲、基体开裂、分层、界面脱粘、总体与局部失稳
破坏以及整体断裂破坏等。
正是由于上述这些诸多特点，虽然学术界进行了大量的研究，但结果仍然是不能令人满意
的。因此有必要对复合材料层合板的强度问题进行更广泛、全面、系统和深入的研究。
2国内外研究现状
层合板的强度理论是在均匀各向同性和均匀各向异性材料强度理论的基础上，结合复合材
料的特点，随着复合材料的推广应用，通过大量试验研究和理论研究，在近40~50年内逐
步发展起来的。这个分支现在已经取得了很大的进展，但是还不很完善。虽然在一定范围、
精度和程