概论及基本术语.ppt

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1、近代力学实验方法航天学院复合材料研究所孙雨果06年春 硕士研究生课程 学时（36/16）类别：学位课本科程讲授及实验内容一、概论及总体目标、术语介绍二、实验应变分析方法：电阻应变测量、光 测技术及其它方法 三、无损检测方法及原位观测（AE）技术四、复合材料的拉伸、压缩方法五、剪切、弯曲、横向性能 六、断裂和韧性 七、复合材料冲击及损伤容限 八、疲劳性能 九、MEMS材料力学性能的测试技术薄膜力 学性能 十、复合材料环境测试、尺度效应、实验数 据处理 十一、复合材料层合板拉伸实验、压缩实验、弯曲实验 复习考试概论及总体目标、术语介绍力学的内涵与发展历程力学的内涵与发展历程：是研究物质机械运动规律

2、的科学，研究对象是宏观物质机械运动所遵从的客观规律。人们实践基础上发展起来，十六、七世纪开始形成物理学的一个分支，一般把力学分为运动学、动力学和静力学三部分。随着材料生产及测试技术水平的提高，力学中的刚体力学、弹性力学、流体力学等分支先后得以发展，形成了比较完整的体系。科技水平的进一步发展，力学开始从物理学的一个分支独立出来成为自然科学一个独立的分支。主要研究内容：固体力学爆炸力学应用力学计算力学断裂力学损伤力学细观力学纳观力学.各种与力学有关的交叉学科等。力学学科的发展是以新材料、新的生产工艺、新的工程应用环境、检测手段以及评价手段等近代力学性能实验方法的发展为基础，同时，实验方法反过来又进

3、一步促进了力学学科的进步与发展。近代力学性能实验方法力学性能实验方法及所要解决的问题力学性能实验方法及所要解决的问题：内涵 是以近代力学理论为基础，以先进的科学方法为手段，正确真实地评价材料、零部件、结构等的技术手段与方法；是用来解决“物尽其用”问题的科学方法；力学试验的总体目标材料或产品的质量控制与质量保证材料的筛选及相互比较材料的设计计算与性能预报材料在服役过程中的性能表征理论发展的出发点及验证材料的发展带动了实验方法的进步 天然材料金属（Au、Ag、Al）无机非金属（木、竹）有机非金属（骨、贝）人工合成材料金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子有机材料发展金属和合金二相结构金属金属塑料，聚合

4、物合金，橡胶增韧聚合物塑料塑料陶瓷和玻璃，二相结构，如水泥陶瓷陶瓷金属填充塑料金属基复合材料GRPCFRP材料的发展传统的材料的优缺点传统的材料的优缺点：塑料塑料：低密度，良好的短期化学稳定性和较好的耐环境性能，易成型和连接；热稳定性差，力学性能较低。陶瓷陶瓷：热稳定性极高，耐腐蚀耐磨损；呈脆性，成型及加工及其困难。金属金属：中高密度，如镁合金、铝合金等密度接近塑料，具有良好热稳定性，合金耐腐蚀，力学性能较高，韧性好，易成型及加工等；纤维增强复合材料层合复合材料纤维增强复合材料层合复合材料航天、航空及国防的迫切需求，高强质轻具有可设计性的新材料得以开发，出现了纤维增强复合材料。增强相纤维的大体

5、分类（参见P58）玻璃纤维碳纤维碳化硅纤维硅化合物纤维有机纤维基体相聚合物（树脂）的大体分类：一、热固性：最高使用温度聚酯（PE）50环氧树脂（Ep）150酚醛树脂（Ph）200双马来酰亚胺（BMI）220聚酰亚胺（PI）280热塑性树脂：聚酰胺（PA）125聚醚醚酮（PPS）250聚碳酸酯（PC）125聚砜（PS）150聚醚酰亚胺（PEI）170聚醚砜（PES）180热塑性聚酰亚胺（TPI）240 现代的复合材料是在20世纪40年代以玻璃纤维增强聚合物基体复合材料发展而来。60年代高摸量硼纤维问世。标志是F11战术轰炸机水平安定面的研制成功（硼纤维环氧树脂基复合材料），从而开始了在高性能航空

6、航天领域中的应用；稍后，碳纤维问世，接着芳伦纤维，很快实现商品化。现代复合材料的问世，是科学上一大突破，使原有的只能为特定结构选择材料发展成为为特定结构物设计材料。如：用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制作的直升飞机的螺旋浆，合理利用材料的刚度和阻尼特性，设计结构简单，使用维修方便，使飞机的机动性和加速性能大为提高，且寿命得以延长；复合材料的发展及应用复合材料的发展及应用Burt Rutan 公司首次制造出全复合材料飞机，经受了雷电风暴，创造了不着陆环球飞行的记录；1987年 美国X29前掠翼飞机试飞成功，增强纤维具有不反射电磁波，透波无磁性等特点，是一种性能优良的隐身材料；1988年 美国研制成

7、功B2隐形轰炸机。目前，几乎所有的飞机、导弹、火箭和各种航天器都大量的使用了复合材料。应用部位：机翼、尾翼和整流罩、卫星天线等，约占结构总重量的2040。如：欧洲380空中客车，除大梁外，机身、机翼、操作纵面均采用复合材料，其用量是波音777的2倍，其中，仅机翼就用了53T（真机翼88T）随着军用到民用的大面积推广，说明了复合材料成熟程度大大的提高，从损伤容限的设计、材料的选择、制造计算的工程化都反映出技术的革命。现代复合材料的出现，是自喷气式发动机发明以来最大的技术革命。现已经向民用化发展，车辆、船舶、化工、建筑及体育用品等。复合材料的定义及分类定义是两种或两种以上不同性能的材料在宏观尺度上

8、组成的多相材料，或概括的讲：由两种或两种以上独立的物理相所组成的固体材料。v概念：相物理：各相材料的物理性能；相几何：各相材料的几何形状及分布总称，二者的改变可获得功能不同的复合材料；界面：混合效应）分类按性能和用途分：功能复合材料，结构复合材料。前者利用其物理性能（如耐烧蚀材料、可透波材料等），后者可用在承力结构中。按基体材料相分：1.聚合物基复合材料2.金属基复合材料3.陶瓷基复合材料4.橡胶基复合材料5.按增强相材料分：6.纤维增强复合材料7.短切纤维增强复合材料8.颗粒增强复合材料9.片状增强复合材料10.晶须增强复合材料11.纤维增强复合材料是指连续长纤维增强复合材料，单双向随机。复

9、合材料层叠结构单层板：纤维基体；界面明显；复合材料而成的单板。其力学性能确决于组分材料的力学、几何（形状、分布、含量）特性界面性能好坏。层合板：按不同的方式叠合而成的层合结构，是复合材料的主要形式。其物理性能取决于单板的力学性能、叠层厚度、铺设方向、顺序等。为了对其进行力学分析，必须对其制造过程有所了解纤维增强树脂基复合材料的制备工艺大体可分为：干法、湿法。干法：先把纤维铺设成平行的纤维带，加入黏性液态树脂、预热使树脂成半熔态，制成预浸带，加宽、切割成所需长度铺成层合板，在热压罐中加热抽出气体及挥发物，树脂再次熔融直到聚合物分子彼此交联而开始固化。湿法：不经过中间半成品预浸带的过程，直接浇注树

10、脂于纤维上，如火箭的壳体结构，整体固化。根据铺设角度不同有单向叠层板、多向叠层板。纤维增强复合材料的性能特点纤维增强复合材料是制作复合材料结构的主要材料。高强度高模量理想载体 通过基体复合提供了一个连续的介质，即保证了纤维的铺设方向；又从结构上保障了纤维的载荷传递，基体在纤维间起着分散合传递载荷的作用，同时也提高了纤维沿着纤维方向的承载能力。总之，复合材料可以克服材料的弱点，发挥其综合能力。优越性在于：实现设计材料的要求。由于复合材料是两层次材料（从力学观点来看，是需要在细观合宏观两个层次内进行复合材料的材料，这是复合材料区别于传统材料关键的区别），因此它的宏观性能可以根据人们的需要通过细观性

11、能来设计，可充分发挥材料的潜力。现阶段的复合材料主要有现阶段的复合材料主要有6项特点项特点：1.比强度高、比刚度大 2.只是指沿纤维方向受拉的优越性。如有偏离纤维方向的力存在，这种材料的性能会很差。因此，在多项受力时，为发挥复合材料的优越性，不能沿单一方向铺设。3.如：T300/环氧5280的比强度是铝的6.3倍；比刚度是铝的4.16倍4.目前，在航空工业中使用的结构复合材料，主要是利用它的高比刚度，如制造飞机的尾翼合安定面等。至于比强度，由于现阶段强度数据分散，经验还不足，用作飞机承力结构还是有所顾虑。5.2.抗疲劳性能好6.复合材料的疲劳破坏机制与金属均匀材料完全不同。金属材料往往出现单一

12、裂纹，汇合成主裂纹，主裂纹控制着最终疲劳破坏。而复合材料往往在高应力区出现大量损伤（界面脱胶、层间开裂、纤维断裂等）并于材料种类、铺设方式、纤维断裂等）并与材料种类、铺设方式、疲劳载荷类型有关，机理复杂。3.减振性能好结构的固有频率除与结构的形状有关外，还与材料的比模量的平方根成正比。由于复合材料的比刚度大，故其自振频率甚高，可避免早起共振。此外，在吸能能力强、振动阻尼大的特点，一旦振动，衰减也快。如：轻金属合金梁需9s,而复合材料梁只需2.5s。4.抗高温性能好和膨胀系数小人们可根据不同工况条件选择抗高低温性能良好、膨胀系数小的复合材料。一般铝合金在400度时弹性模量几乎接近零，而硼纤维/钛

13、合金复合材料在此温度下性能不变，此外，韧性较好。5.安全性能好 单一纤维的断裂不会导致突然破坏。6.成型工艺好可制备各种形状复杂的零部件，一次成型，工艺简单，无浪费等。复合材料力学基本术语、概念复合材料力学基本术语、概念应力应力是一个重要的概念，它是连续介质力学描述物体的一部分与另一部分之间的相互作用时所具有的唯一方法。外力和内力外力物体之间的相互作用力内力物体内部两部分间的作用力连续介质力学中的内力指的是可变形体因受外力而变形，在其内部各部分间因相对位置改变引起的相互作用力。体积力柯西应力（Cauchy stress）柯西应力原理认为，在n 不变的情况下无限缩小 一直收缩到P点，在 的过程中

14、，对p的矩为零，而 趋于一个确定的极限。以 表示此极限，从而定义了 为过P而外法线方向为n 的无限小面元dS上的应力矢量（也叫张力矢量）即：显然，不同点处，方向相同的面上应力一般不同，而同一点处不同方向的面上，应力一般也不相同，所以一般情况下t是点的位置和作用面方向的函数：固定x而改变n，就得到过一点的不同面上的应力，这就是一点的应力状态，而改变x，得到不同点的应力状态，即应力场。因此，为了解和描述一点的应力状态，必须固定x而改变n，即应当了解过此点各个方向的面上的应力矢量，过一点可作无穷多个面，然而可证明只要知道了过一点的3个正交面上的应力，就能完全确定过这点的任何其它的面上的应力。取微小六

15、面体又注意到均匀应力状态下，左右两面对应应力分量等值、反向，即这两个平行平面上的应力矢量大小相当、方向相反。这样，过一点的3个正交面上一共是3个应力矢量，个应力分量。以 代表作用在外法线方向 的面上的应力矢量，代表 在 方向的分量，则9个应力分量 可排成三阶方阵形式：其中 分别垂直于外法线方向为 的平面，叫作正应力，另外6个应力 是它们的作用面力，剪应力。应变应力作用下，物体发生的变形，定义同应力相同，表示为本构方程构成的基本原理从广义上来讲，凡是反映物性的数学表达式，都可以叫本构关系式。物质的本构方程必须服从一些共同的准则或原理。1.物质的客观性原理物质本身性质所决定，不因观测者而改变。2.

16、确定性原理认为物体中某点的应力恒可以由物体内部各点的以往运动史唯一决定，而和未来的运动无关。3.局部作用原理临近有影响，远处无关。4.又被称为Noll三原则，因此可导出简单的物质的本构方程。5.此外，本构方程还需满足其它一些原理，如物质对称性原理，即要反映出物质具有对称性，相容性和量纲一致性原理等。应力应变本构方程各向异性复合材料体的本构关系各向异性复合材料体的本构关系各向异性体应力应变间的线性关系（36），里面的弹性系数通常是坐标的函数（非均匀体）。各向异性体是角度的函数。1 1、极端各向异性复合材料体、极端各向异性复合材料体下面我们就给出几种特殊境况的本构关系 根据弹性势能原理，可以获得弹

17、性系数矩阵是对称的，也就是说，有21个独立的弹性常数（刚度系数矩阵）。如弹性体在外力作用下变形时是在等温情况下，根据应变能密度函数的性质，可以证明。也可以写成逆矩阵形式：柔度矩阵，单个元素叫柔量正交各向异性复合材料体正交各向异性复合材料体可以证明，对于正交各向异性体，还存在13个独立的弹性模量。应力应变关系可表示为：复合材料力学基本术语、概念复合材料力学基本术语、概念在在实实际际应应用用过过程程中中，复复合合材材料料多多数数是是以以层层合合板板方方式式出出现现，为为识识别别层层合合板板中中每每层层相相对对于于材材料料主主坐坐标标系系的的材材料料性性质质以以及及层层板板铺铺叠叠的的几几何何性质性

18、质，需要一套，需要一套明确的术语明确的术语。x1x3x2应力：应力：应变：应变：对称性对称性应力分量作用面的法线方向应力分量作用面的法线方向应力分量的方向应力分量的方向符号缩写符号缩写弹性对称弹性对称单向复合材料单向复合材料弹性常数弹性常数数目是纤维在基体中数目是纤维在基体中排列排列堆积的堆积的形状形状函数。函数。描述排列如描述排列如a矩形堆积复合材料矩形堆积复合材料9个弹性常数；个弹性常数；排列如排列如b、c形分别为形分别为6个、个、5个；个；abc965层板层板将若干单向或编织的单层纤维复合材料，与层板将若干单向或编织的单层纤维复合材料，与层板x轴成各种不同轴成各种不同铺叠角度而成。铺叠角

19、度而成。层板标记层板标记按按ASTM规定。如规定。如:0/90/0T;0/45/-452etc.单层性能估算（工程应用）单层性能估算（工程应用）采用材料力学的方法通过各组分材料的性质、几何排列和相对采用材料力学的方法通过各组分材料的性质、几何排列和相对体积来表示体积来表示等效等效的单层的单层性能性能。等效杨氏模量等效杨氏模量采用混合率估算采用混合率估算-连续纤维、纵向连续纤维、纵向-121FiberMatrix在1 方向承载的代表性体积单元则应力则作用在复合材料单元上的合力为：-不连续纤、定长纤维纵向不连续纤、定长纤维纵向-式中：-不论纤维连续与否、横向不论纤维连续与否、横向-式中：c形形b

20、b形形纤维堆积几何因子纤维堆积几何因子bd泊松比的估算泊松比的估算-无论纤维连续与否无论纤维连续与否-c形各向同性单向形各向同性单向：平面应变体积模量：平面应变体积模量剪切模量的估算剪切模量的估算-无论纤维连续与否无论纤维连续与否-膨胀应变膨胀应变一聚合物为基体的纤维增强复合材料吸湿、吸水或温度变化都一聚合物为基体的纤维增强复合材料吸湿、吸水或温度变化都会引起体积变化，此时，可用广义膨胀应变的概念算出。会引起体积变化，此时，可用广义膨胀应变的概念算出。各种情况的具体表达式各种情况的具体表达式细观力学细观力学分析方法分析方法应力的转换应力的转换（平面应力）（平面应力）由于单层材料的主坐标系一般不

21、于多层板的主坐标系重合，因由于单层材料的主坐标系一般不于多层板的主坐标系重合，因此需要坐标系的转换。此需要坐标系的转换。应变位移关系应变位移关系连续体中的一点的应变可以用连续体的位移场来表示。连续体中的一点的应变可以用连续体的位移场来表示。应变转换应变转换工程和张量的剪应变之间的区别，是由它们的转换性质工程和张量的剪应变之间的区别，是由它们的转换性质造成。弹性理论的剪应变使得应变服从张量转换，从而与造成。弹性理论的剪应变使得应变服从张量转换，从而与应力的转换式相同。应力的转换式相同。xy12用工程剪切应变计算用工程剪切应变计算应力应变关系应力应变关系各种复合材料在弹性变形范围内都符合广义胡克定

22、律。各种复合材料在弹性变形范围内都符合广义胡克定律。如：根据试验测得如：根据试验测得則可写出正交异性材則可写出正交异性材料的应力应变关系。料的应力应变关系。表明：在材料主坐标系表明：在材料主坐标系中，剪切和法向无耦合响应中，剪切和法向无耦合响应。1、均质物体-任意处有相同的性质，物性不是位置的函数。2、各向同性物体是指-物体内任意点出各个方向的性质都相同，即性能不是物体内一点的方向的函数。3、非均匀体-性质是位置的函数。4、正交各向异性体-物体中一点的三个相互垂直方向上有不同的材料性质，例外还有三个相互垂直的材料对称面，即性能是物体中一点的方向的函数。5、各向异性体 3、横观各向同性体、横观各

23、向同性体有五个有五个独立的弹性模量 4、各向同性体、各向同性体有二个有二个独立的弹性模量单向纤维复合材料弹性体的本构关系单向纤维复合材料弹性体的本构关系 单向加强的复合材料，假定把它的纤维和基体混成一体并当作均质看待，即从宏观上看待他，它就是各向异性体。x2x3x1 如上图所示，坐标轴x1与纤维方向一致，称为纵向；x2和x3正交纤维方向，为横向。当横向截面很大时，它近似于横观各向同性体，x2x3是各向同性面。常见单向纤维复合材料是无纬布单层，或是由同方向若干单层粘合而成的，整个厚度不大时，它可以看成是二维的正交各向异性体。.x2x1 二维正交各向异性体只有4个独立的模量，应力应变关系可表示为：

24、对称 这主要是对单层板来说。一般情况下，复合材料层板是有多层粘合而成的。每一层的纤维方向是不同的，而它的模量是与纤维方向有关的。每一层都有其自身的主方向。但对于整体结构来说，必须把它们统一到一个方向上才能进行有关分析，也就是必须经过坐标变换。二、坐标变换（二维问题）二、坐标变换（二维问题）前面各向异性体应力、应变关系式，是假设坐标轴x1，x2，x3的方向是沿着物体材料的弹性主轴方向，实际上，常常遇到坐标轴的方向不同于材料弹性主轴的情况，这是要对前面的应力、应变关系是进行坐标转换以求出新的关系式。xy12二、坐标变换（二维问题）二、坐标变换（二维问题）xy12变换后：应力转换方程二、坐标变换（二

25、维问题）二、坐标变换（二维问题）xy12变换后：应变转换方程二、坐标变换（二维问题）二、坐标变换（二维问题）xy12 当材料的主方向和物体自然轴相一致时 但一般情况下，材料的主方向和物体自然轴是不一致的，此时我们怎样来求x-y坐标方向的应力-应变关系式？下面我们来简单推导以下：二、坐标变换（二维问题）二、坐标变换（二维问题）xy12在材料主方向坐标下从而可以得到其中二、坐标变换（二维问题）二、坐标变换（二维问题）xy12 则在x-y坐标系下应力-应变关系式为：其中就是静转换以后的刚度矩阵，下面我们给出具体表达式二、坐标变换（二维问题）二、坐标变换（二维问题）转换后的二维刚度矩阵占居了所有的9项位置，但由于简单层板时正交各项异性的，所以仍然只有4个独立的材料常数。一般情况下，剪应变和正应变之间以及剪应力之间存在耦合效应。各向异性材料的应力各向异性材料的应力-应变关系应变关系应力应力-应变关系满足广义虎克定律应变关系满足广义虎克定律 应 力 应 变张量符号简写符号张量符号简写符号应力-应变的张量与简写符号对照用简写符号定义应变:通常刚度矩阵 有36个常数。但考虑到应变能时，利用胡可定律和应变密度函数可证明得到：