復(fù)合材料力學(xué)整理

1、基本概念：1、單層復(fù)合材料的宏觀均勻性、宏觀正交各向異性的意義；簡(jiǎn)述復(fù)合材料的工藝特點(diǎn)、生產(chǎn)流程。宏觀均勻性：材料內(nèi)任意一點(diǎn)處的宏觀物理特性都完全相同宏觀正交各向異性：材料具有兩個(gè)正交彈性對(duì)稱面,且材料中同一點(diǎn)處沿不同方向的力學(xué)性能不同工藝特點(diǎn)：a.材料制造和構(gòu)件成型同時(shí)完成，一般情況下，復(fù)合材料的生產(chǎn)過程也就是構(gòu)件的成型過程，材料的性能必須根據(jù)構(gòu)件的使用要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在選擇材料、 設(shè)計(jì)配比、確定纖維鋪層和成型方法時(shí)，都必須滿足構(gòu)件的物化性能、結(jié)構(gòu)形狀和外觀質(zhì)量要求等；b.成型工藝靈活簡(jiǎn)單，可用模具一次成型法來制造各種構(gòu)件。常用的成型方法主要有：手糊成型、噴射成型、纏繞成型、層壓成型、拉擠

2、、RTM等方法。生產(chǎn)流程：復(fù)合材料的生產(chǎn)流程主要有四個(gè)步驟:潤(rùn)濕/浸漬、鋪層、疊層、固化a、潤(rùn)濕/浸漬：纖維和樹脂混合形成薄層；b、鋪層：按設(shè)計(jì)角度和位置鋪設(shè)纖維布或預(yù)浸料；c、疊層：使每層預(yù)浸料或薄層之間緊密結(jié)合，排出氣泡d、固化：可在真空或壓力輔助下進(jìn)行，固化時(shí)間越短，工藝的生產(chǎn)效率越高。2、復(fù)合材料的基本概念，種類，優(yōu)缺點(diǎn)；基本概念：是由兩種或者多種不同性質(zhì)的材料用物理和化學(xué)方法在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料，一般復(fù)合材料的性能優(yōu)于組分材料，并且有些性能是原來組分材料所沒有的，復(fù)合材料改善了組分材料的剛度、強(qiáng)度、熱學(xué)等性能。種類：根據(jù)復(fù)合材料中增強(qiáng)材料的幾何形狀,復(fù)合材料分為：a、顆

3、粒復(fù)合材料，由顆粒增強(qiáng)材料和基體組成；b、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，由纖維和基體組成；c、層合復(fù)合材料，由多種片狀材料層合而成優(yōu)缺點(diǎn)：p16、p173、簡(jiǎn)述復(fù)合材料飛機(jī)雷達(dá)罩的性能要求以及基本組成結(jié)構(gòu)和制造方法。a、，件能要求：誘波、維持飛機(jī)整體空氣動(dòng)力學(xué)外形、減小阻力、保護(hù)雷達(dá)天線； b、組成結(jié)構(gòu)：膠結(jié)泡沫板、充氣式結(jié)構(gòu)、螺接翼緣的實(shí)體薄板、金屬空間骨架、薄蒙皮、螺栓連接的蜂窩夾層板c、制造方法：真空袋模壓法、高壓釜模壓法、常用袋模壓法、纖維纏繞法、RTM方法等。4、已知碳/環(huán)氧單層材料，E1=12.0*104, E2=4.0*104MPA,匕1 = 027,G12 = 1.80m 104 Mpa

4、,受有應(yīng)力 5 =100Mpa,cr2 =-30Mpa,E12 =10Mpa ,求應(yīng)變 備，e2；1245、(1)已知玻 璃/環(huán)氧單向 復(fù)合材料 玻璃纖維 Ef =7.0父10 Mpa,Nf =0.22 ,密度Pf =2.5g/cm3,環(huán)氧 Em =3.5父104Mpa, Rm =0.35 ,密度 Pm = 1.21g/cm3,纖維重量含量Mf為0.7,用細(xì)觀力學(xué)的串聯(lián)模型計(jì)算Ei, E2,l121P216;()簡(jiǎn)要說明串聯(lián)模型計(jì)算E2,G2存在誤差的主要原因。p216-218 TOC o 1-5 h z 6、證明：1、對(duì)稱層合板無拉彎耦合，p99;正規(guī)對(duì)稱正交層合板無拉剪耦合p101,2、反

5、對(duì)稱角鋪設(shè)及正交鋪設(shè)層合板分別存在拉扭和拉彎耦合p1037、簡(jiǎn)述層合板 Aj, Bj, Dj，各剛度系數(shù)的意義；p95答：敘述何種層合板為準(zhǔn)各向同性層合板，并證明對(duì)稱層合板(0/45/45/90)s為準(zhǔn)各向同性層合板。 面內(nèi)各方向剛度相同的對(duì)稱層合板稱為準(zhǔn)各向同性層合板，其充要條件是：A6 = A26 = 0A = %人6 = ( Ai - A22 )/ 2證明:建，如期Ui金及達(dá)亨凄加號(hào)方Az 26出產(chǎn). Atk- 陛L項(xiàng)尸二OLff C?b也刷Li*_ &jr &*工瓦，川:, 上用人.信*甲而二a&J OUl一上由此，f Mt tSjx0Hi -ij A”-I瓦i上&林*的f%*wvrh

6、 +織，*$的5取*5加廠*3才如，說&jf &“步叫但什:為的中占金卬十覦即/磁$品C*k?式出一衿*七*4加-即。AM AM”通用R8、試分析層合板層間應(yīng)力仃zxz,7yz的產(chǎn)生原因(p123, 129),層合板鋪設(shè)時(shí)可利用哪些方法減小層間應(yīng)力，簡(jiǎn)述可用哪些方法克服傳統(tǒng)層合復(fù)合材料的層間強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。答：層間應(yīng)力的形成： 在橫向載荷作用下是由于橫向剪切內(nèi)力的存在，而在層壓板的自由邊界由于各鋪層的泊松耦合系數(shù)或拉剪耦合系數(shù)不同在自由邊界處形成一個(gè)三維應(yīng)力狀態(tài)的邊界層區(qū)，在這一邊界層區(qū)域存在層間應(yīng)力 xz，vzz xz yzU44tL1,/ $ J J 41 ,/ / (fj 1九3如oy誨稼

7、稠出a印/.JJ j加區(qū)m3減小層間應(yīng)力:使各定向鋪層盡量沿層壓板厚度方向均勻分布，使層壓板的鋪層組數(shù)盡量多，每組鋪層數(shù)盡量少，一般不超過 4層;鋪層角度間隔小，如采用 0/45/90/-45/0 而不采用0/90/45/-45Z0 的鋪層順序;對(duì)于x向受拉伸的層壓板，盡量使泊松耦合系數(shù)小的鋪層放在外層，而將泊松耦合系數(shù)大的鋪層放在里層（對(duì)于 x向受壓縮的層壓板正好相反）克服傳統(tǒng)復(fù)合材料層間強(qiáng)度低的缺點(diǎn)的方法:采用三維編織或縫合的織物復(fù)合材料;改變層合板鋪設(shè)順序及角度;用邊界帶帽、縫補(bǔ)或加厚粘膠層等方法來增強(qiáng)自由邊界以提高層間強(qiáng)度。9、寫出計(jì)算層合板極限強(qiáng)度的全量法和增量法的流程圖，簡(jiǎn)述二者的

8、區(qū)別以及某層失效時(shí)的剛度折減方法。答：二者的區(qū)別：增量法認(rèn)為層合板失效過程的本構(gòu)關(guān)系為增量關(guān)系。全量法以全量形式建立失效本構(gòu)關(guān)系， 直接代入強(qiáng)度理論， 計(jì)算時(shí)要考慮各層失效順序,一旦失效層剛度退化其強(qiáng)度直接按退化后的層壓板計(jì)算，而無需考慮失效時(shí)的各層應(yīng)力,故全量較為近似，但比增量法簡(jiǎn)便。某層失效時(shí)的剛度折減方法:般對(duì)失效層退化按如下假定處理:右叫 x,a2 至Y,則 Q22 =Qi6 =Q66 =0右：1 _ X,則 Q11 = Q22 = Q12 = Q66 = 0若.12 -s,貝U Q66 =0且失效層退化后整個(gè)層壓板仍按經(jīng)典層壓板理論計(jì)算剛度。10、無對(duì)稱軸：21個(gè)，有一個(gè)對(duì)稱角：13

9、個(gè)，正交各向異性材料： 9個(gè)，三個(gè)正交的彈性主軸：9個(gè)，橫觀各向同性材料：5個(gè)，各向同性材料：2個(gè)11、證明：三層正規(guī)對(duì)稱角鋪設(shè)層合板具有最大的拉剪耦合；p102兩層反對(duì)稱正交鋪設(shè)層合板具有最大的拉彎耦合；p10312、根據(jù)復(fù)合材料工字梁結(jié)構(gòu)的承力形式，結(jié)合單層板的鋪設(shè)方法，對(duì)工字梁進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，畫出相應(yīng)的鋪層結(jié)構(gòu)圖13、對(duì)一輕型或無人駕駛飛機(jī)（小型）的全復(fù)合材料機(jī)翼進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫出結(jié)構(gòu)布置圖，可用材料：?jiǎn)蜗虿?，雙向布，泡沫夾層等。14、已知某復(fù)合材料單層板在偏軸向8 =30-受應(yīng)力oX = 160Mpa ,仃y =60Mpa,y =20Mpa,其材料強(qiáng)度 X =1000Mpa,Y =

10、 100Mpa,S = 40Mpa。試用 Hill-蔡強(qiáng)度理論判斷其強(qiáng)度。15、已知某復(fù)合材料單層板在偏軸向e =45二受應(yīng)力仃x =80Mpa ,其材料強(qiáng)度X =1000Mpa,Y=100Mpa,S=40Mpa。試用最大應(yīng)力理論 和Hill-蔡強(qiáng)度理論判斷其強(qiáng)度。若該單層板失效，簡(jiǎn)述失效原因和失效形式。16、為何用短梁三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)試復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度？p73為何用土45二鋪層試件偏軸拉伸測(cè)試面內(nèi)剪切性能？預(yù)計(jì)試驗(yàn)件實(shí)驗(yàn)時(shí)的破壞形式。答：層間剪切強(qiáng)度是指復(fù)合材料抵抗外界水平剪切力的最大能力趾,密國(guó)煙扣芭鼻晦戲謂加但E討漠*3審J靖加任f *而超同城好隔犁僮短札茯科叫可 澗2抵火？”由械同

11、陟如呵3號(hào)士質(zhì) 二嬴而土石/ 土心疝，% 116、與各向同性材料相比，正交各向異性單層材料在強(qiáng)度上有什么特點(diǎn)。P56 答：對(duì)于各向同性材料，各強(qiáng)度理論中所指的最大應(yīng)力和線應(yīng)變是材料的主應(yīng)力和主應(yīng)變；但對(duì)于各向異性材料，由于最大作用應(yīng)力并不一定對(duì)應(yīng)材料的危險(xiǎn)狀態(tài)，所以與材料方向無關(guān)的最大值已無意義， 而材料主方向的應(yīng)力是重要的，由于各主方向強(qiáng)度不同，因此最大作用應(yīng)力不一定是控制設(shè)計(jì)的應(yīng)力；若材料在拉伸和壓縮時(shí)具有相同的強(qiáng)度，則正交各向異性單層材料的基本強(qiáng)度有三個(gè)，X軸向或縱向強(qiáng)度（沿材料主方向1）丫一一橫向強(qiáng)度a&材料主方向 2）S剪切強(qiáng)度（沿 1-2平面）在確定單層材料強(qiáng)度時(shí)可不考慮主應(yīng)力；因

12、此正交各向異性材料中的強(qiáng)度是應(yīng)力方向的函數(shù)，而各向同性材料中的強(qiáng)度與應(yīng)力方向無關(guān)；若材料的拉伸和壓縮性能不同（對(duì)于大多數(shù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料），則基本強(qiáng)度有5個(gè)：Xt 縱向拉伸強(qiáng)度;Xc 縱向壓縮強(qiáng)度;Yt 橫向拉伸強(qiáng)度;Yc 橫向壓縮強(qiáng)度;S 剪切強(qiáng)度；它們分別由材料單向受力實(shí)驗(yàn)測(cè)定正交各向異性材料在材料主方向上的拉伸和壓縮強(qiáng)度一般是不同的，但在主方向上的剪切強(qiáng)度（不管剪應(yīng)力是正還是負(fù)） 都具有相同的最大值， 但是在非材料主方向上剪應(yīng)力最大值 依賴于剪應(yīng)力的方向。17、鋪層表示方法%夕%（ 。銬的的次fDs七質(zhì)聲，卜力卜Mw偉,工 .濟(jì)四小的“18、復(fù)合材料的構(gòu)件成型完全不同于傳統(tǒng)金屬構(gòu)件的制造。復(fù)合材料構(gòu)件的制造是材料形成與構(gòu)件成型同時(shí)完成， 構(gòu)件性能和制造工藝緊密相關(guān)，即構(gòu)件的質(zhì)量在較大程度上依賴于制造技術(shù)，同時(shí)要求纖維盡可能不被切斷，因此應(yīng)根據(jù)復(fù)合材料這一特點(diǎn)，應(yīng)用整體成型技術(shù)和研究新的制造技術(shù)， 當(dāng)然，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料也不例外，而不同纖維和不同基體制造的復(fù)合材料的方法差別很大，這里介紹集中典型復(fù)合材料的制造方法，如碳纖維增強(qiáng)，金屬基復(fù)合材料一般制造方法有：擴(kuò)散結(jié)合法，熔融金屬滲透法，連續(xù)鑄造法，等離子噴涂法等；玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料可通過不同