復合材料力學培訓講座

復合材料力學

主講：宮能平教授1/17/20241課程簡介目的內容考核參考書目的：〔1〕了解復合材料的性能特點及其影響因素，〔2〕復合材料性能設計的根本方法，〔3〕掌握對復合材料及其典型結構進行力學分析的根本原理和方法。1/17/20242課程簡介目的內容考核參考書內容：復合材料力學：包括細觀力學和層合板理論，以及靜力、動力和穩(wěn)定分析及結構優(yōu)化設計〔典型結構設計〕。1/17/20243課程簡介目的內容考核參考書內容： 第一章引言 第二章應力－應變關系 第三章單向板的剛度分析 第四章層合板的剛度分析 第五章復合材料的強度 第六章復合材料的細觀力學 第七章復合材料一維受力構件分析 第八章復合材料梁分析 第九章復合材料板分析 第十章復合材料殼分析 第十一章復合材料結構設計 第十二章復合材料連接設計1/17/20244課程簡介目的內容考核參考書考核：平時成績加上最后的測試

1/17/20245課程簡介目的內容考核參考書參考書：〔1〕復合材料力學分析與設計，王興業(yè)等編著，1999，〔2〕TheoryofCompositesDesign，S.W.Tsai，1993，〔3〕復合材料結構力學，蔡四維編著，1997。1/17/20246第一章引言1/17/20247第一章引言1.1根本概念一、復合材料工程結構設計過程： 1〕等代設計或者稱直接替換法：將復合材料簡單地代替常規(guī)材料，用與常規(guī)材料構件相同的結構形式、尺寸、形狀和連接方法來制作復合材料構件，設計時的載荷條件、平安系數、計算方法均完全套用常規(guī)材料的標準。由于復合材料高比強度、高比模量，各向異性的特殊性能而不合理。 2〕網絡分析：認為在纖維增強復合材料中，只有纖維在沿纖維方向提供承載能力，在分析中完全忽略基體的作用。其適用于纖維纏繞成型的內壓容器——固體火箭發(fā)動機的殼體。1/17/20248 3〕局部增強的混合結構：是在常規(guī)材料所組成的結構的關鍵部位增用一些復合材料。如在加筋件的凸緣上采用單向纖維復合材料，形成混合結構。復合材料是一種性能可設計的材料：復合材料顯著區(qū)別于常規(guī)材料的地方是，它是一種性能可設計的材料，因而它賦予結構設計者的自由度要大得多。1/17/20249二、復合材料:復合材料是指由兩種以上材料組合而成的、物理和化學性質與原材料不同、但又保持某些有效功能的新材料。復合材料中，一種材料作為基體，其他材料作為增強劑兩種以上材料宏觀尺度上的組合微觀尺度上的組合〔合金〕具有各組分最好的性能，是單個組分所沒有的復合材料是材料家族中最年輕、最活潑的新成員。所謂“復合〞，是在金屬材料、有機高分子材料和無機非金屬材料自身或相互間進行，從而獲得單一材料無法比較的、具有綜合優(yōu)異性能的新型材料〔大飛機制造〕1/17/202410三、復合材料力學與復合材料結構力學復合材料力學研究復合材料的微觀和宏觀力學特性、包括剛度、強度、破壞機理、斷裂、疲勞、沖擊、損傷、應力集中、邊界效應、環(huán)境響應和力學測試等力學問題。復合材料結構力學：研究復合材料結構的應力、變形、穩(wěn)定和振動等問題1/17/202411四、復合材料的開展歷程復合材料的開展，經歷了古代、近代和現代三個階段自古以來，人們就會使用天然的復合材料——木材、竹、骨骼等。最原始的人造復合材料是在粘土泥漿中摻稻草，制成土磚；在灰泥中摻馬鬃或在熟石膏里加紙漿，可制成纖維增強復合材料近代復合材料最早的有玻璃纖維增強樹脂〔如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等〕——玻璃鋼。原子能、航空、航天、電子、化工等的開展，對材料的輕質、高強、高模、高韌性、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、電性能等提出了更高要求，使現代先進復合材料蓬勃開展起來——高性能纖維和其他各種形式的復合材料1/17/202412五、復合材料的特點及應用復合材料具有高比強度、高比剛度、材料輕、耐腐蝕、抗疲勞性能、減振性能和高溫性能好意即可設計等特點它最早應用于國防、航空、航天等尖端科學技術領域，近年來，汽車、造船、建筑、化工石油、體育用品、生物、醫(yī)療、娛樂等部門也推廣使用復合材料全復合材料汽車——汽油之后的變革高性能體育器械-網球、棒球、高爾夫球、賽車、滑雪、魚桿人造器官輸油管道、儲罐、壓力容器等1/17/202413六、復合材料的制備傳統(tǒng)意義上的復合材料的制造，目前使用最廣、效果最好的是纖維增強：采用熔鑄、浸漬、層壓等方法，把玻璃纖維、有機纖維、碳纖維及其織物嵌入樹脂基體中；采用熔鑄、軋壓等方法把硼纖維、高強度鋼絲、晶須等嵌入鋁、鎂、鈦合金中這樣形成了纖維增強塑料、纖維增強金屬和纖維增強陶瓷。除了纖維增強以外，還廣泛使用已有工藝制造復合材料，如噴涂、離子注入、層疊及骨架復合等1/17/202414七、復合材料的分類復合材料包括三要素：基體材料、增強劑及復合方式〔界面結合形式〕按增強劑形狀不同，可分為顆粒、連續(xù)纖維、短纖維、彌散晶須、層狀、骨架或網狀、編織體增強復合材料等按使用功能不同，可分為結構復合材料和功能復合材料等按照基體材料的不同，復合材料包括聚合物基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料等熱固性、熱塑性碳碳復合材料1/17/202415先進復合材料樹脂基復合材料金屬基復合材料陶瓷基復合材料碳/碳復合材料1/17/202416八、增強纖維與基體增強纖維玻璃纖維、碳纖維、聚芳酰胺纖維Kevlar)硼纖維、碳化硅纖維樹脂基體熱固性聚合物聚酯、環(huán)氧、酚醛、聚酰亞胺熱塑性聚合物尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯1/17/202417九、增強纖維與基體的作用與奉獻增強材料是決定復合材料的拉伸強度、模量、延伸率的關鍵組分，增強纖維的種類、機械性能和物理特征，以及增強材料的體積含量、纖維的取向決定了復合材料的性質樹脂基體那么是粘接并包容纖維，使纖維免受摩擦損傷，均衡和傳遞構件所承受的載荷的主要組分，樹脂基體的種類、物理特性和化學特性決定了復合材料的剪切強度、橫向拉伸強度〔非纖維方向〕、壓縮強度、耐化學腐蝕等性質〕1/17/202418十、復合材料的性能包括強度剛度耐腐蝕性耐磨性重量疲勞壽命與溫度有關的性能絕熱性導熱性隔音性1/17/202419十一、復合材料特性：復合材料是非均質和各向異性的。非均質——物質在各處有不同的性能， 即物體的性能隨物體內位置的改變而變化。各向異性——在物體內一點的各方向上表現有不同的性能。 一般都是正交各向異性1/17/202420第一章引言1.2復合材料力學性能的特點： 一、復合材料是一種結構；

層合板和復合材料結構件一次完成連續(xù)纖維增強聚合物復合材料是由纖維和聚合物兩種組分材料組成，兩者之間有明顯的界面，實際上是一種結構。如以層合的形式制成，就是一種層合結構

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二、比強度、比模量高；常見幾種材料的比強度和比模量材料比強度(×107cm)比模量(×109cm)鋼0.130.27鋁0.170.26鈦0.210.25高強度碳纖維/環(huán)氧1.030.97高模量碳纖維/環(huán)氧0.671.51/17/202422第一章引言1.2復合材料力學性能的特點： 三、具有可設計性； 四、力學性能有別于傳統(tǒng)材料的一些特點。

組分種類、含量，鋪層方向和順序四個工程彈性常數：拉伸模量EL、壓縮模量ET、泊松比νLT、剪切模量GLT五個根本強度參數：縱向拉伸強度XT、縱向壓縮強度XC、橫向拉伸強度YT、橫向壓縮強度YC、剪切強度S拉—剪耦合，彎—扭耦合，拉—彎耦合效應1/17/202423第一章引言1.2復合材料結構設計特點結構設計：在給定的載荷條件和平安系數下，確定結構而完成某一或某些功能所必須的合理形狀或尺寸。Lrpp：屈服強度；K：平安系數；P：外加載荷；A：橫截面積。各向同性材料1/17/202424第一章引言1.2

復合材料結構設計特點選材結構形狀、尺寸校核合格結束效益穩(wěn)定性均質材料結構設計流程：1/17/202425Lrpp：屈服強度；K：平安系數；P：外加載荷；A：橫截面積。各向異性材料第一章引言1.2

復合材料結構設計特點1/17/202426第一章引言1.2

復合材料結構設計特點Dprxhsrsrsxsx：縱向應力；：環(huán)向應力；p：內壓；D：直徑；h：厚度。1/17/202427第一章引言1.2

復合材料結構設計特點選材結構形狀、尺寸校核合格結束效益穩(wěn)定性、橫向性能材料性能復合材料結構設計流程：1/17/202428第一章引言1.2

復合材料結構設計特點 一、材料性能的各向異性； 二、材料性能可設計性； 三、環(huán)境因素(濕、熱)的影響必須考慮。1/17/202429第一章引言1.3復合材料力學分析的根本假設 一、層合板是連續(xù)的；