复合材料细观力学.ppt
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1、复合材料细观力学 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一章 绪 论l定义:根据国际标准化组织为复合材料所下的定义,复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组成的一种多相固体材料。l连续体:基体l分散体:增强材料l两相之间存在界面相l复合材料的分类l按增强相材料形态分类l连续纤维复合材料l短纤维复合材料l晶须增强复合材料l颗粒增强复合材料l编织复合材料l按纤维种类分类l玻璃纤维复合材料l碳纤维复合材料l有机纤维复合材料l金属纤维复合材料(钨丝、
2、不锈钢丝)l陶瓷纤维复合材料(硼纤维、碳化硅纤维)l混杂纤维复合材料(两种以上纤维)l按基体材料分类l聚合物基复合材料(热固性、热塑性树脂)l金属基复合材料(铝、钛、镁)l无机非金属基复合材料(陶瓷、水泥)l碳碳复合材料l按材料作用分类l结构复合材料(卫星承力筒)l功能复合材料 (导电、换能、防热)复合材料的基本特点l共同特点:l可综合发挥各种组成材料优点,使一种材料具有多种功能l可按对材料性能需要进行材料的设计和制造l可制成所需要任意形状产品,避免多次加工工序l一般优点:l比强度、比刚度、轻质、耐疲劳、减震性好、抗冲击、耐高温、耐腐蚀等等3D knitted composites for b
3、icycle helmets (a)cylinder and flange;(b)egg crate structures;(c)turbine rotors woven by Techniweave Inc.;and(d)various l复合材料性能和损伤破坏规律取决于l组分材料性能l微细观结构特征l复合材料结构设计l复合材料本身是非均质、各向异性材料,因此复合材料力学在经典非均匀各向异性弹性力学基础上迅速发展。复合材料不仅是材料,更确切的说是结构l以纤维增强的层合板结构为例,复合材料设计可分为三个阶段:1、单层材料设计,选择增强材料、基体材料、配比关系l2、铺层设计 铺层方案l3、结构设
4、计 产品结构的形状、尺寸、使用环境分析角度l复合材料具有非均匀性和各向异性特点,这种差别属于物理方面l弹性模量、拉压强度、剪切强度、热膨胀系数等l复合材料细观力学的核心任务l建立复合材料宏观性能同其组分性能及其细观结构之间的定量关系,并揭示复合材料结构在一定工况下的响应规律及其本质,为复合材料优化设计、性能评价提供必要的理论依据及手段。l追溯到19世纪爱因斯坦关于两种不同介电性能的电介质组成的复合电介质等效介电常数预报问题。l50年代-70年代l80年代快速发展l90年代不可缺少参考教程参考教程l杜善义、王彪杜善义、王彪复合材料细观力学科学出版社复合材料细观力学科学出版社 1997 1997l
5、Mura T.Micromechanics of defects in Mura T.Micromechanics of defects in solids.1987solids.1987l杨卫杨卫 宏微观断裂力学国防工业出版社宏微观断裂力学国防工业出版社 1995 1995l基础教程基础教程弹性力学、复合材料力学弹性力学、复合材料力学复合材料有效性能复合材料有效性能l有效弹性模量的影响因素l组分材料的弹性常数l基体基体-各向同性各向同性l纤维纤维-横观各向同性横观各向同性l微结构特征l夹杂形状(纤维、颗粒、晶须、孔洞、裂纹)夹杂形状(纤维、颗粒、晶须、孔洞、裂纹)l几何尺寸、分布几何尺寸、分
6、布l体积含量体积含量l等等等等成熟的细观力学方法成熟的细观力学方法lEshelby 等效夹杂理论l自洽理论(自相似理论)lMori-Tanaka方法(背应力法)l微分法lHashin 变分原理求解上下限方法l其他方法复合材料有效弹性模量定义复合材料有效弹性模量定义l两类均匀边界条件 在均匀边条作用下,除边界点附近可能有扰动存在,统计均匀复合材料应力场和应变场也是统计均匀的。即,代表性体积单元内场量=复合材料体积平均值l证明式中上标0代表复合材料基体相,r代表复合材料第r类增强相l利用散度定理可以证明复合材料的应变能和余能分别是第二章 复合材料有效性能l第一节 Eshelby等效夹杂理论 195
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