1. 复合材料结构选型总论
复合材料结构选型，本质上是把“材料—铺层—结构—载荷—工艺—成本”作为一个耦合系统来做决策。它不同于金属结构选材：金属通常先选牌号，再设计截面；复合材料则是在设计截面的同时“设计材料本身”。因此，本章先建立三个基本认知——复合材料是什么、为什么可设计、选型在工程中处于什么位置，再用一张知识地图把后续 29 章串成一条可执行的选型主线。
1.1 复合材料的定义与分类
复合材料是由两种或两种以上物理、化学性质不同的材料，经人工组合而成并具有明显界面相的多相材料。其核心特征是“组分保持各自身份，性能不是简单加和”。在工程结构中，最典型的是纤维增强树脂基复合材料：纤维承担载荷、提供刚度与强度，基体传递并分配载荷、保护纤维、决定耐温与耐介质性能，界面则决定两者能否有效协同。
按增强体形态可分为连续纤维、短切纤维、晶须与颗粒；按基体可分为树脂基（PMC）、金属基（MMC）、陶瓷基（CMC）和碳/碳（C/C）；按纤维种类常见有碳纤维（CF）、玻璃纤维（GF）、芳纶（AF）、玄武岩纤维及混杂纤维。工程选型中最常用的分类维度是“纤维—基体—铺层形式”三要素，例如 T700/环氧 单向带、T300/环氧 织物预浸料、CF/PA6 热塑性层压板等。
1.2 各向异性与可设计性
复合材料单层是典型的正交各向异性材料，其面内刚度由四个工程常数描述：纵向模量 E₁、横向模量 E₂、主泊松比 ν₁₂ 和面内剪切模量 G₁₂。以常见 T300/环氧单层为例（示例值，非实测）：E₁≈135 GPa，E₂≈9 GPa，G₁₂≈5 GPa，ν₁₂≈0.30。可见 E₁ 与 E₂ 相差约 15 倍，这正是“方向决定性能”的根源。
可设计性体现在三个层次：单层层次可换纤维、基体、纤维体积分数 Vf；层合板层次可设计铺层角度、顺序、厚度与对称性；结构层次可设计加筋、夹芯、变厚度与局部加强。经典层合板理论给出铺层角度 θ 对等效工程常数的影响，例如 [0/±45/90]s 准各向同性铺层的面内模量与方向基本无关，而 [0₂/±45]s 则在 0° 方向显著更强。选型时正是通过调整铺层比例，把刚度“放”到主载荷方向上去。
1.3 结构选型在工程中的定位
结构选型不是“挑一种材料”，而是回答四个问题：用什么材料体系、用什么铺层、用什么结构形式、用什么工艺，并给出可验证的依据。它位于需求与详细设计之间：上游接收载荷谱、重量指标、接口约束、环境与寿命要求；下游输出材料规范、铺层表、结构方案、工艺路线与验证计划。
工程上常用“积木式”验证思路控制风险：试样级（单层/层合板）→ 元件级（典型接头、加筋板）→ 细节级（含孔、冲击后）→ 全尺寸级。选型阶段就要预判哪些性能需要试验支撑，例如压缩设计值往往受纤维微屈曲与基体剪切控制，开孔拉伸/压缩需要按经验折减，冲击后压缩强度（CAI）常成为损伤容限设计的门槛值。
1.4 真实工程选型任务导入
以一个教学示例任务说明选型流程：设计一块无人机机翼蒙皮，尺寸 800 mm × 300 mm，主载荷为沿展向的弯曲，最大弯矩 1.2 kN·m，要求蒙皮厚度不超过 3 mm，工作温度 -40～70 ℃，批产 200 件，成本敏感。
第一步，把弯矩换算为蒙皮线载荷与面内应力水平，判断主应力方向沿展向；第二步，初选 T300/环氧 单向带，按 0° 铺层承担弯曲、±45° 承担扭转与剪切、90° 控制横向开裂，拟定 [0₂/±45/0/90]s 对称铺层；第三步，用经典层合板理论估算等效模量与各层应力，检查是否满足强度与屈曲要求；第四步，比较热压罐与真空导入工艺——200 件批量下真空导入模具成本更低，但纤维体积分数与表面质量略低，需在许用值上留出余量；第五步，输出铺层表、材料规范与试样级验证项目（0°拉伸、90°拉伸、±45°剪切、开孔压缩、CAI）。