复合材料力学讲义(第二版)-5.ppt
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1、Center for Composite Materials,Harbin Institute of Technology复合材料力学复合材料力学5 5mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology复合材料力学重点内容复合材料力学重点内容简单层板的宏简单层板的宏观力学性能观力学性能简单层板的微简单层板的微观力学性能观力学性能简单层板的应简单层板的应力应变关系力应变关系简单层板的强简单层板的强度
2、问题度问题刚度的弹性力刚度的弹性力学分析方法学分析方法刚度的材料力刚度的材料力学分析方法学分析方法强度的材料力强度的材料力学分析方法学分析方法简单层板的宏简单层板的宏观力学性能观力学性能mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology复合材料力学重点内容复合材料力学重点内容经典层合理论经典层合理论层合板的层合板的强度问题强度问题层合板的应力层合板的应力应变关系应变关系刚度的刚度的特殊情况特殊情况
3、层间应力层间应力强度分析方法强度分析方法层合板设计层合板设计层合板的宏观层合板的宏观力学性能力学性能层合板的弯曲层合板的弯曲振动与屈曲振动与屈曲Center for Composite Materials,Harbin Institute of Technology层合板的层合板的宏观力学性能宏观力学性能mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology复合材料两个典型特征复合材料两个典型特征me
4、chanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology引言引言mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology复合材料的尺度复合材料的尺度mechanics of mechanics of composit
5、e materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology引言引言mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyStrain-Stress Relationsmechanics of mechanics of composite materialscomposite ma
6、terialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyStrain-Stress Relationsmechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyPlane-Stress Statemechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCe
7、nter for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyPlane-Stress Constitutive Equationsmechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyStrain-Stress Relations in Reference Coordinatesmechanics of mechanics of composi
8、te materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyStrain-Stress Relations in Reference Coordinatesmechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology引言引言层合板定义:层合板定义:层合板定义:层合板定义:是由两层或多层
9、简单层板粘合在一是由两层或多层简单层板粘合在一是由两层或多层简单层板粘合在一是由两层或多层简单层板粘合在一起作为一个整体的结构单元起作为一个整体的结构单元起作为一个整体的结构单元起作为一个整体的结构单元 各单层的材料主方向的布置应使结构元件能承受几个各单层的材料主方向的布置应使结构元件能承受几个各单层的材料主方向的布置应使结构元件能承受几个各单层的材料主方向的布置应使结构元件能承受几个方向的载荷方向的载荷方向的载荷方向的载荷单层板单层板单层板单层板是层合板或层合结构分层的基本单元,对是层合板或层合结构分层的基本单元,对是层合板或层合结构分层的基本单元,对是层合板或层合结构分层的基本单元,对它的
10、宏观力学研究是分析层合结构的基础它的宏观力学研究是分析层合结构的基础它的宏观力学研究是分析层合结构的基础它的宏观力学研究是分析层合结构的基础层合板各单层的材料、厚度和弹性主方向等可以层合板各单层的材料、厚度和弹性主方向等可以层合板各单层的材料、厚度和弹性主方向等可以层合板各单层的材料、厚度和弹性主方向等可以互不相同。适当地改变这些参数,人们就可以设互不相同。适当地改变这些参数,人们就可以设互不相同。适当地改变这些参数,人们就可以设互不相同。适当地改变这些参数,人们就可以设计出最有效地承受特定外载的结构元件,这是复计出最有效地承受特定外载的结构元件,这是复计出最有效地承受特定外载的结构元件,这是
11、复计出最有效地承受特定外载的结构元件,这是复合材料层合板突出的优点之一合材料层合板突出的优点之一合材料层合板突出的优点之一合材料层合板突出的优点之一mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology引言引言有不同物理性质和几何尺寸单层组成的层合板具有不同物理性质和几何尺寸单层组成的层合板具有不同物理性质和几何尺寸单层组成的层合板具有不同物理性质和几何尺寸单层组成的层合板具有最一般的各向异性性质有最
12、一般的各向异性性质有最一般的各向异性性质有最一般的各向异性性质层合板不一定有确定的主方向层合板不一定有确定的主方向层合板不一定有确定的主方向层合板不一定有确定的主方向 这种层合板在厚度方向具有客观的非均匀性和力学性这种层合板在厚度方向具有客观的非均匀性和力学性这种层合板在厚度方向具有客观的非均匀性和力学性这种层合板在厚度方向具有客观的非均匀性和力学性质的不连续性质的不连续性质的不连续性质的不连续性 对层合板的力学分析就变得更为复杂对层合板的力学分析就变得更为复杂对层合板的力学分析就变得更为复杂对层合板的力学分析就变得更为复杂已知单层的性质,主要关注沿厚度方向的应力和已知单层的性质,主要关注沿厚
13、度方向的应力和已知单层的性质,主要关注沿厚度方向的应力和已知单层的性质,主要关注沿厚度方向的应力和应变的变化应变的变化应变的变化应变的变化mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology单层板的应力单层板的应力-应变关系应变关系第第k k层的应力层的应力-应变关系应变关系层与层过渡和层与层的结合方式的考虑?层与层过渡和层与层的结合方式的考虑?层与层过渡和层与层的结合方式的考虑?层与层过渡和层与层
14、的结合方式的考虑?沿厚度方向的积分沿厚度方向的积分沿厚度方向的积分沿厚度方向的积分mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology经典层合理论经典层合理论(Classical Laminate Plate Theory)层间变形一致性假设层间变形一致性假设层间变形一致性假设层间变形一致性假设层合板各单层之间粘合层非常薄,单层边界两边的位移层合板各单层之间粘合层非常薄,单层边界两边的位移层合板各单
15、层之间粘合层非常薄,单层边界两边的位移层合板各单层之间粘合层非常薄,单层边界两边的位移是连续的,层间不能滑移,无相对位移是连续的,层间不能滑移,无相对位移是连续的,层间不能滑移,无相对位移是连续的,层间不能滑移,无相对位移直法线不变假设直法线不变假设直法线不变假设直法线不变假设假设垂直于层合板中面的一根初始直线,在层合板受到假设垂直于层合板中面的一根初始直线,在层合板受到假设垂直于层合板中面的一根初始直线,在层合板受到假设垂直于层合板中面的一根初始直线,在层合板受到拉伸和弯曲后,仍保持直线并垂直于中面;变形前垂直拉伸和弯曲后,仍保持直线并垂直于中面;变形前垂直拉伸和弯曲后,仍保持直线并垂直于中
16、面;变形前垂直拉伸和弯曲后,仍保持直线并垂直于中面;变形前垂直与板中面的直线在变形后仍保持垂直,且长度不变与板中面的直线在变形后仍保持垂直,且长度不变与板中面的直线在变形后仍保持垂直,且长度不变与板中面的直线在变形后仍保持垂直,且长度不变 板的克希荷夫假设板的克希荷夫假设板的克希荷夫假设板的克希荷夫假设(Kirchhoff)(Kirchhoff)(Kirchhoff)(Kirchhoff)壳的克希荷夫壳的克希荷夫壳的克希荷夫壳的克希荷夫-勒普假设勒普假设勒普假设勒普假设(Kirchhoff-Love)(Kirchhoff-Love)(Kirchhoff-Love)(Kirchhoff-Love
17、)在上述假设基础上建立的层合板理论称为经典层在上述假设基础上建立的层合板理论称为经典层在上述假设基础上建立的层合板理论称为经典层在上述假设基础上建立的层合板理论称为经典层合板理论合板理论合板理论合板理论mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology经典层合理论经典层合理论经典层合板理论的假设没有针对层合平板经典层合板理论的假设没有针对层合平板的限制,层合板也可以是曲面或壳的限制,层合板也可以是
18、曲面或壳另外另外单层平面应力状态假设:单层平面应力状态假设:单层平面应力状态假设:单层平面应力状态假设:层合板中各单层都可层合板中各单层都可层合板中各单层都可层合板中各单层都可近似地认为处于平面应力状态近似地认为处于平面应力状态近似地认为处于平面应力状态近似地认为处于平面应力状态,在厚度方向上的在厚度方向上的在厚度方向上的在厚度方向上的正应力于其它应力相比很小,可忽略不计正应力于其它应力相比很小,可忽略不计正应力于其它应力相比很小,可忽略不计正应力于其它应力相比很小,可忽略不计mechanics of mechanics of composite materialscomposite mate
19、rialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology经典层合理论经典层合理论x,uy,vz,w变形前的横截面变形前的横截面变形后的横截面变形后的横截面XZXZ平面内的变形几何平面内的变形几何z zx xz zc cA AB BC CD Du u0 0 ww0 0 A AB BC CD Dz zc c mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institu
20、te of Technology经典层合理论经典层合理论B B:中面上一点中面上一点C C:任意点任意点 是层合板中面在是层合板中面在X X方向上的斜率方向上的斜率层合板厚度上任意一点层合板厚度上任意一点z z的位移的位移u u为:为:同样,在同样,在yzyz平面内,平面内,y y方向上的位移方向上的位移v v为:为:z zx xz zc cA AB BC CD Du u0 0 ww0 0 A AB BC CD Dz zc c mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite
21、 Materials,Harbin Institute of Technology经典层合理论经典层合理论板内任一点的位移分量可表示为:板内任一点的位移分量可表示为:由直法线不变假设,得由直法线不变假设,得mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology经典层合理论经典层合理论UndeformedUndeformedClassical plate theoryClassical plate th
22、eoryFirst-order plate theoryFirst-order plate theoryThird-order plate theoryThird-order plate theorymechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of TechnologyDisplacement Fields of VariousDisplacement Fields of VariousLaminate Theori
23、esLaminate TheoriesClassical plate theoryClassical plate theoryFirst-order plate theoryFirst-order plate theoryThird-order plate theoryThird-order plate theorymechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology经典层合理论经典层合理论Clas
24、sical plate theoryClassical plate theorymechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology经典层合理论经典层合理论应变由位移确定如下应变由位移确定如下:若用矩阵形式表示若用矩阵形式表示mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Mat
25、erials,Harbin Institute of Technology经典层合理论经典层合理论分别称为中面面内应变列阵和中面弯曲应变列阵分别称为中面面内应变列阵和中面弯曲应变列阵分别称为中面面内应变列阵和中面弯曲应变列阵分别称为中面面内应变列阵和中面弯曲应变列阵称为曲率称为曲率称为曲率称为曲率称为扭曲率称为扭曲率称为扭曲率称为扭曲率mechanics of mechanics of composite materialscomposite materialsCenter for Composite Materials,Harbin Institute of Technology剪切变形理论
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