复合材料力学 (1).ppt

复合材料力学复合材料力学基础基础天问一号的成功发射，航空航天再次成为社会关注的热点。汽车、新能源等领域，复合材料迅速发展，受到社会很多群体和企业的重点关注。然而，想要设计、制造复合材料结构和产品，复合材料力学复合材料力学的基础知识是必不可少的。复合材料是航空航天中主要使用的材料然而，复合材料力学理论复杂，学习困难难以理解、难以应用。理解复合材料最基本的特性！结合分析软件，指导复合材料新产品、新型复合材料零部件的设计开发，是本课程的初衷！先修课程：高等数学、工程力学课程学习目标课程学习目标1.掌握复合材料，主要是层压板结构复合材料的力学特性；2.能够理解、掌握复合材料单层的应力应变关系(含正轴、偏轴状态下)即刚度特性刚度特性；以及根据基体和纤维性能预测单层性能；3.学习理解复合材料失效的强度准则强度准则；了解复合材料强度参数的实验测试方法；能应用强度准则对复合材料结构进行分析、设计；4.能够对简单的复合材料层压板进行应力应变分析，并判断是否会发生失效；5.能对复合材料结构的湿热性能退化进行分析计算；6.应用Abaqus对复合材料结构进行分析，能够正确的解读分析结果，指导复合材料结构和产品的设计。复合材料力学基础美 罗纳德F吉布森 著，顾诵芬 编，张晓晶 译，2019，上海交通大学出版社Stress-Analysis-of-Fiber-Reinforced-Composite-Materials,1998（英文原版）Hyer著参考教材参考教材绪论1 复合材料的基本力学特性最常见的复合材料是怎样的增强形式？为什么用纤维增强，其力学性能特点？有哪些不同的增强形式？结构材料可分为四类:金属、聚合物、陶瓷和复合材料。复合材料包含两种或多种材料，通常由各种不同材料组合构成。组分通常是宏观的。有可设计性、安全度高、高比强度比刚度等等优点。成本较高，生产效率低，相关人才缺乏是目前的主要限制因素。目前复合材料中应用最广泛的是纤维增强的复合材料。纤维增强复合材料性能非常好是因为很多材料在纤维状时比在块状时强度更大、更硬。最早在1920 年由 Griffith 测量了不同直径玻璃棒和玻璃纤维的拉伸强度，发现，随着玻璃棒和纤维变细，强度变得更强(见图 1.2)这是因为直径越小，制造和处理过程中产生失效诱导表面裂纹的可能性越小注意图中单位的转换。145psi=1MPa纤维可使我们获得具有最大强度和刚度的材料需要注意的是，纤维也有明显的劣势与不足无法单独承受轴向压缩载荷横向力学性能通常不如相应的轴向纤维作为结构材料必须：通过粘合剂或基体，将纤维集成到结构单元；并提供一定的横向增强这要求纤维与基体有足够的粘足够的粘接界面接界面！dl圆柱形颗粒的面积与体积之比，在其是平板状或是纤维状时达到最大值可见，当长度与直径之比（a=l/d）极大或极小时，A/V 趋于无穷贝壳是 0.3-0.7um 左右厚度的文石板片（碳酸钙晶体）之间有 30nm 左右的有机质层交错叠堆而成，具有很好强度、硬度与 韧性。而纤维状时，A/V非常大。因此，有足够用于每单位纤维体积应力传递的纤维与基体之间的界面面积当 a 取值趋向极小，即增强体为平板状时，颗粒的长径比非常小。这种情况的例子是贝壳一方面基体传递传递纤维之间的载载荷荷并提供横向横向的的强强度度（还可以根据复合材料所受的载荷方向，将纤维铺设成不同的角度而增加 横向强度）另一方面基体还保护纤维，避免其受到外部的冲击 和环境的影响。(a)连续纤维增强复合材料中，单层板铺设在需要的方向上，然后粘接在一起，构成层压板。层间强度是由基体决定，因此脱粘分层仍然是一个很大的问题。(c)短纤维增强复合材料因其制造成本低而广泛用于纤维体积含量高的情况，但是力学性能比连续纤维增强复合材料弱。(d)混杂纤维增强复合材料是连续纤维和短纤维混合增强(b)编织复合材料，不含单独的单层板且不易发生分层，但是纤维不是拉直的，牺牲了刚度和强度。例 1.3 薄壁压力容器平均半径为 r,壁厚为 t,内部气体压力为 p。比较由 1M10碳纤维复合材料和 6061-T6 铝合金两种材料制作的压力容器容许的最大压力。假定尺寸相同，碳纤维均沿圆周方向，忽略基体材料的影响。则压力为可见，对于相同的半径和厚度，容许压力之比即为两种材料的拉伸强度之比，因此根据表 1.1则有解：由薄壁压力容器的材料力学理论得圆周方向的应力为所以 IM10 碳纤维复合材料压力容器的最大容许压力是 6061-T6铝容器22.46倍例 1.4 一根矩形截面悬臂梁,材料为 6061-T6 铝合金,要替换为相同长度L 和宽度 b 的 1M10 碳纤维,要求在相同载荷 P 下的最大挠度 c 相同。比较两根梁的厚度 和重量,忽略基体材料的影响。式中 I=bh3/12为截面惯性矩，b、h 为宽度和厚度。相同长度、宽度和载荷的两根梁的最大挠度，可得所以相应厚度比为解：由材料力学的梁理论得最大挠度为碳纤维梁厚度只需为铝合金梁厚度的 61%式中:W 为重量;p 为材料密度。所以碳纤维复合材料梁的重量只有铝合金梁的 40%,但满足相同的设计准则。重量比为这些例子在不考虑基体材料的情况下,展示了复合材料相较于传统材料的一些优势小结纤维增强纤维增强复合材料广泛应用的原因是什么？纤维本身力学性能方面的优势与不足？基体的主要作用是什么？纤维增强的方式有哪些？谢谢！