复合材料力学课件.ppt

复合材料力学 参考教材R.M.琼斯：复合材料力学（中、英文）StephenW.Tasi：复合材料设计王震鸣：复合材料力学与复合材料结构力学李顺林：复合材料结构设计方法J.R.Vinson:TheBehaviorofStructuresComposedofCompositeMaterials 复合材料力学与复合材料结构力学复合材料力学研究复合材料的微观和宏观力学特性、包括刚度、强度、破坏机理、断裂、疲劳、冲击、损伤、应力集中、边界效应、环境响应和力学测试等力学问题。复合材料结构力学：研究复合材料结构的应力、变形、稳定和振动等问题 相关课程之间关系复合材料学复合材料力学复合材料结构力学复合材料结构设计方法材料力学弹性力学复合材料动力学非线性复合材料力学柔性复合材料力学编织复合材料力学 主要授课内容绪论、复合材料简介及其基本力学性能宇航典型复合材料与复合材料结构复合材料力学的一般理论各向异性材料的本构关系及简单层板宏观力学性能复合材料简单层板刚度与强度的微观力学分析方法层合板宏观力学性能的分析方法（刚度与强度）层合板的弯曲、屈曲与振动分析复合材料力学分析的常用软件复合材料及其结构在工程分析中应用复合材料结构分析的有限元解法课堂讨论、上机实习、考试 绪论——复合材料简介复合材料是指由两种以上材料组合而成的、物理和化学性质与原材料不同、但又保持某些有效功能的新材料。复合材料中，一种材料作为基体，其他材料作为增强剂两种以上材料宏观尺度上的组合微观尺度上的组合（合金）具有各组分最好的性能，是个组分所没有的复合材料是材料家族中最年轻、最活跃的新成员。所谓“复合”，是在金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料自身或相互间进行，从而获得单一材料无法比拟的、具有综合优异性能的新型材料 绪论——复合材料简介Compositesaremadefromtwoormoredistinctmaterialsthatwhencombinedarebetter(stronger,tougher,and/ormoredurable)thaneachwouldbeseparately.Compoistesareconsideredascombinationsofmaterialelementswhichdifferincompositionorformonamacroscopiclevelwithrespecttoeachother.Theindividualfibrousconstituentelementscanbeman-made,aregenerallyinsoluble,retaintheiridentitieswithinthecompositeandmaybecontinuousordiscontinuous 复合材料的发展历程复合材料的发展，经历了古代、近代和现代三个阶段自古以来，人们就会使用天然的复合材料——木材、竹、骨骼等。最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中掺稻草，制成土砖；在灰泥中掺马鬃或在熟石膏里加纸浆，可制成纤维增强复合材料近代复合材料最早的有玻璃纤维增强树脂（如酚醛树脂、环氧树脂等）——玻璃钢。原子能、航空、航天、电子、化工等的发展，对材料的轻质、高强、高模、高韧性、耐高温、耐磨、耐腐蚀、电性能等提出了更高要求，使现代先进复合材料蓬勃发展起来——高性能纤维和其他各种形式的复合材料 示例：天然复合材料AnExampleofaNaturalCompositeAtreeisagoodexampleofanaturalcomposite,consistingofcellulose(thefibrousmaterial)andlignin(anaturalpolymer)formingthewoodycellwallsandthecementing(reinforcing)materialbetweenthem. 复合材料的特点及应用复合材料具有高比强度、高比刚度、材料轻、耐腐蚀、抗疲劳性能、减振性能和高温性能好意即可设计等特点它最早应用于国防、航空、航天等尖端科学技术领域，近年来，汽车、造船、建筑、化工石油、体育用品、生物、医疗、娱乐等部门也推广使用复合材料全复合材料汽车——汽油之后的变革高性能体育器械-网球、棒球、高尔夫球、赛车、滑雪、鱼杆（光威）人造器官输油管道、储罐、压力容器等 复合材料的制备传统意义上的复合材料的制造，目前使用最广、效果最好的是纤维增强：采用熔铸、浸渍、层压等方法，把玻璃纤维、有机纤维、碳纤维及其织物嵌入树脂基体中；采用熔铸、轧压等方法把硼纤维、高强度钢丝、晶须等嵌入铝、镁、钛合金中这样形成了纤维增强塑料、纤维增强金属和纤维增强陶瓷。除了纤维增强以外，还广泛使用已有工艺制造复合材料，如喷涂、离子注入、层叠及骨架复合等 HandLayupVacuumBag/AutoclaveMatchedDie/MoldingFilamentWindingPressure&RollBondingPlasmaSprayingTechniquesPowderMetallurgyLiquidInfiltrationCoextrusionControlledSolidificationRotationalMoldingPultrusionInjectionMoldingCentrifugalCastingSheetMoldingCompoundPneumaticImpaction复合材料的制备 复合材料的分类复合材料包括三要素：基体材料、增强剂及复合方式（界面结合形式）按增强剂形状不同，可分为颗粒、连续纤维、短纤维、弥散晶须、层状、骨架或网状、编织体增强复合材料等按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复合材料等按照基体材料的不同，复合材料包括聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等热固性、热塑性碳碳复合材料小知识RMC:ResinMatrixCompositesMMC:MetalMatrixCompositesCMC:CeramicMatrixComposites 先进复合材料树脂基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料碳/碳复合材料 增强纤维与基体增强纤维玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维（Kevlar、Apmoc)、硼纤维、碳化硅纤维树脂基体热固性聚合物聚酯、环氧、酚醛、聚酰亚胺热塑性聚合物尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯 增强纤维与基体的作用与贡献在RMC中，增强材料是决定复合材料的拉伸强度、模量、延伸率的关键组分，增强纤维的种类、机械性能核物理特征，在即体重的体积含量及纤维的取向决定了复合材料的性质树脂基体则是粘接并包容纤维，使纤维免受摩擦损伤，均衡和传递构件所承受的载荷的主要组分，树脂基体的种类、物理特性和化学特性决定了复合材料的剪切强度、横向拉伸强度（非纤维方向）、压缩强度、耐化学腐蚀等性质） 复合材料的性能疲劳寿命与温度有关的性能绝热性导热性隔音性强度刚度耐腐蚀性耐磨性重量 示例：材料的比强度与比刚度图不同材料比强度与工作温度关系图几种高温材料的比强度比强度值越大，表明越轻质高强，在金属中，比强度值不能突破4X104cm 复合材料的力学性能普通的工程材料大多是均匀的、各向同性的均质：性能不是物体位置的函数各向同性：物体的性能在物体内的一点的每个方向都是相同的，性能不是一点方向上的函数复合材料一般表现为非均质和各向异性的，材料性能是位置和方向的函数正交各向异性：在物体重的一点的三个相互垂直方向上有不同的材料性能，此外还有三个相互垂直的材料对称面各向异性：所有方向都有不同的性能，没有材料对称面 从微细观和宏观两个角度研究微观力学从微观的角度检验组份材料之间相互影响研究复合材料的性能宏观力学假设材料是均质的，只从复合材料的平均表观性质来检验组份材料的作用细观力学方法固体力学与材料科学之间的交叉科学，从材料的细观结构入手，研究其与材料力学性能的关系用连续介质力学研究材料的细观结构与宏观性能关系 材料与力学材料学：从材料的物理、化学性质、材料工艺、结构、组分的角度固体力学：结构受力分析与材料的力学性能示例：材料中的缺陷问题严重影响材料的强度等性能，纤维比块状结构材料有更加完整的结构，晶体在纤维中沿着纤维轴向定位，内部缺陷少，有更高的强度 复合材料的可设计性材料与结构不可分根据我们的需求设计材料和结构在我们所需要的方向上具有足够的强度和刚度，其他方向上不需要，消除材料冗余，提高材料效率AnisotropicelasticityAnin-depthdiscussionoftheimportantdifferencesbetweencompositesandconventionalmonolithicmaterialstypesisdiscussedintermsofdevelopingtheconceptsassociatedwithdirectionalmaterialproperties. 复合材料力学的材料力学、弹性力学基础理论量纲基本量：长度、时间、力、质量量纲相同无量纲化 应力和应变截面积为S，载荷为P，单位面积的力为：应力原长为L，伸长量为，延伸率为：应变在小载荷范围内，有虎克定律：弹性模量材料断裂时的应力为材料强度 应力和应变PPPPN’NPNTN,N’为内力，等于P对于与轴向成角的截面正应力剪应力剪切应变剪切弹性常数泊松比