复合材料力学基础.ppt

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1、材料力学(Material Mechanics)材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程16 16 复合材料力学复合材料力学复合材料力学复合材料力学基础基础基础基础2 2 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程=16.1 16.1 16.1 16.1 概概概概 述述述述 16.2 16.2 16.2 16.2 复合材料的种类复合材料的种类复合材料的种类复合材料的种类16.3 16.3 16.3 16.3 合材料的构造及制法合材料的构造及制法

2、合材料的构造及制法合材料的构造及制法 16.4 16.4 16.4 16.4 复合材料力学分析的基本假设和方法复合材料力学分析的基本假设和方法复合材料力学分析的基本假设和方法复合材料力学分析的基本假设和方法 16.5 16.5 16.5 16.5 复合材料的力学性能复合材料的力学性能复合材料的力学性能复合材料的力学性能 16.6 16.6 16.6 16.6 复合材料的各种应用复合材料的各种应用复合材料的各种应用复合材料的各种应用 16.7 16.7 16.7 16.7 各向异性弹性力学基本方程各向异性弹性力学基本方程各向异性弹性力学基本方程各向异性弹性力学基本方程 16.8 16.8 16.

3、8 16.8 各向异性弹性体的应力应变关系各向异性弹性体的应力应变关系各向异性弹性体的应力应变关系各向异性弹性体的应力应变关系 16.9 16.9 16.9 16.9 正交各向异性材料的工程弹性常数正交各向异性材料的工程弹性常数正交各向异性材料的工程弹性常数正交各向异性材料的工程弹性常数 3 3 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程 复复合合材材料料是由两种或多种不同性质的材料用物理或化学方法制成的具有新性能的材料，一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，并且有

4、些性能是原来组分下列材料所没有的，复合材料可能改善组分材料的刚度、强度、热学等性能。现在复合材料已广泛应用于各种工程和日常生活，例如胶合板、钢筋混凝土、夹布橡胶轮胎、玻璃钢等。复合材料的力学性能比一般金属材料复杂得多，主要有不均匀、各向异性、不连续等，因此逐步发展成为复合材料特有的力学理论，称为复合材料力学，它是固体力学学科中的一个新分支。16.1 概概 述述4 4 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程 16.2 复合材料的种类复合材料的种类 颗粒复合材料颗粒复

5、合材料 层合复合材料层合复合材料 纤维增强复合材料纤维增强复合材料 16.2.1 16.2.1 复合材料的种类复合材料的种类5 5 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程 1.1.玻璃纤维玻璃纤维 2.2.硼纤维硼纤维 3.3.碳纤维碳纤维 4.4.芳纶纤维芳纶纤维 5.5.碳化硅纤维及氧化铝纤维碳化硅纤维及氧化铝纤维 16.2.2 16.2.2 几种常用纤维几种常用纤维几种常用纤维几种常用纤维6 6 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土

6、木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程1 1.树脂基体树脂基体2.金属基体金属基体3.陶瓷基体陶瓷基体4.碳素基体碳素基体 几种常用基体几种常用基体几种常用基体几种常用基体 7 7 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程（a）单层纤维 单层复合材料单层复合材料单层复合材料单层复合材料（b）交织纤维 图 16.1 单层复合材料构造形成 16.3 16.3 合材料的构造及制法合材料的构造及制法16.

7、3.1 16.3.1 复合材料的基本形式复合材料的基本形式复合材料的基本形式复合材料的基本形式8 8 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程图16.2 叠层材料构造形式举例 叠层复合材料叠层复合材料9 9 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程1.玻璃纤维环氧复合材料 将环氧树脂基体浸渍玻璃纤维经烘干形成半成品材料预浸料，再通过不同成

8、型方法得到各种制品，其中有手糊方法、喷射成型、缠绕方法、层压方法等。16.3.2 16.3.2 复合材料的制造方法复合材料的制造方法复合材料的制造方法复合材料的制造方法2.碳纤维增强金属基复合材料 一般制造方法有扩散结合法、熔融金属渗透法、连续铸造法、等离子喷涂法等。1010 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程3.单向短纤维复合材料 将短切纤维悬浮在甘油中不停的搅动，加压迫使悬浮物经过一收敛渠道，纤维走向与流向相同，将含纤维液膜沉积到一细眼筛上快速过滤去掉甘油

9、，这样形成了定向纤维毡，然后再加树脂并模压成短纤维复合材料。1111 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程1.1.层合板是连续的层合板是连续的2.2.单向板是均匀的单向板是均匀的3.3.单向板是正交各向异性的单向板是正交各向异性的4.4.层合板是线弹性的层合板是线弹性的5.5.层合板的变形是很小的层合板的变形是很小的 16.4 16.4 复合材料力学分析的基本假设和方法复合材料力学分析的基本假设和方法 16.4.1 16.4.1 基本假设基本假设基本假设基本假设

10、 1212 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程它从细观角度分析组分材料之间的相互影响来研究复合材料的力学性能。它从材料是均匀的假定出发，只从复合材料平均表观性能检验组分材料的作用来研究复合材料的宏观力学性能。16.4.2 16.4.2 细观力学细观力学细观力学细观力学16.4.3 16.4.3 宏观力学宏观力学宏观力学宏观力学1313 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料

11、力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程它从更粗略的角度来分析复合材料结构的力学性能，把叠层材料作为分析问题的起点，叠层材料的力学性能可由上述宏观力学方法求出，或为了简便和可靠可用实验方法直接求出。16.4.4 16.4.4 复合材料结构力学复合材料结构力学复合材料结构力学复合材料结构力学 1414 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程16.5 复合材料的力学性能复合材料的力学性能16.5.1 16.5.1 纤维增强复合材料的重要力学性能纤维增强复合材料的重

12、要力学性能纤维增强复合材料的重要力学性能纤维增强复合材料的重要力学性能 1.玻璃纤维增强复合材料特点是比强度高，耐腐蚀、电绝缘、易制造、成本低，缺点是比模量较低。2.碳纤维复合材料有很高的比强度和比模量，耐高温、耐疲劳、热稳定性好。3.芳纶纤维增强复合材料是一种新的复合材料，它有较高的比强度和比模量。1515 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程 比比强强度度高高，尤其是高强碳纤维、芳纶纤维复合材料。比比模模量量高高，除玻璃纤维环氧外其余复合材料比模量值比金属高

13、很多，特别是高模量碳纤维复合材料最为突出。材材料料具具有有可可设设计计性性，这是复合材料与金属材料很大的不同点，复合材料的性能除了决定纤维和基体材料本身的性能外，还决定于纤维的含量和铺设方式。16.5.2 16.5.2 复合材料的优点复合材料的优点复合材料的优点复合材料的优点1616 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程 材材料料各各向向异异性性严严重重，垂直于纤维方向的性能主要取决于基本材料性能和基体与纤维间的结合能力。因此一般性能较低，特别是层间剪切强度很低

14、。材材料料性性能能的的分分散散度度较较大大，质量控制和检测较困难。材材料料成成本本较较高高，目前硼纤维复合材料最贵，碳纤维及金属基复合材料比金属成本高很多。有些复合材料韧性较差有些复合材料韧性较差，机械连接较困难。16.5.3 16.5.3 复合材料的缺点复合材料的缺点复合材料的缺点复合材料的缺点1717 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程16.6 复合材料的各种应用复合材料的各种应用16.6.1 16.6.1 航空、航天工程应用航空、航天工程应用航空、航天工

15、程应用航空、航天工程应用 航空工程航空工程 国内外已应用于飞机发动机、机身、机翼、驾驶舱、螺旋桨、雷达罩、机翼表面整流装置、直升飞机旋翼桨叶、客机前后翼身整流罩、主起落架舱门等。航天工程航天工程 减轻发动机的重量等。1818 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程 制造玻璃钢船，制造复合材料游艇和渔船。用混杂复合材料制造高速舰艇16.6.2 16.6.2 船舶工程中的应用船舶工程中的应用船舶工程中的应用船舶工程中的应用16.6.3 16.6.3 建筑工程中的应用建

16、筑工程中的应用建筑工程中的应用建筑工程中的应用大型体育馆、厂房、市场等薄壳结构，各种建筑，引水渡槽、桥梁附加水管导槽等建筑设施。16.6.4 16.6.4 兵器工业中的应用兵器工业中的应用兵器工业中的应用兵器工业中的应用 1.坦克装甲上应用 2.武器装备上应用1919 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程 采用复合材料替代金属可减少腐蚀延长寿命采用复合材料替代金属可减少腐蚀延长寿命16.6.5 16.6.5 化学过程中应用化学过程中应用化学过程中应用化学过程中应

17、用 化工设备中采用树脂基复合材料，其重量轻、维修化工设备中采用树脂基复合材料，其重量轻、维修 容容 易、使用寿命长易、使用寿命长 石油化工管道也有用玻璃钢制造的，其重量轻、寿石油化工管道也有用玻璃钢制造的，其重量轻、寿 命长、成本低命长、成本低 用纤维增强树脂基复合材料制造汽车、火车罐车，用纤维增强树脂基复合材料制造汽车、火车罐车，罐体上的托架、入孔及附件全部只是缠绕过程中固罐体上的托架、入孔及附件全部只是缠绕过程中固 定、一次整体成型定、一次整体成型 2020 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精

18、品课程材料力学精品课程材料力学精品课程 1.火车 2.汽车 3.自行车16.6.6 16.6.6 车辆制造工业中应用车辆制造工业中应用车辆制造工业中应用车辆制造工业中应用16.6.7 16.6.7 电器设备中的应用电器设备中的应用电器设备中的应用电器设备中的应用 1.强电设备 2.电子设备 3.家用电器2121 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程16.6.8 16.6.8 体育器械中应用体育器械中应用体育器械中应用体育器械中应用1.滑雪板 2.网球拍3.棒球棒

19、 4.高尔夫球棍5.其它2222 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程 1.假肢等 2.人造骨骼、关节等人体内部材料 3.医疗设备16.6.9 16.6.9 医学领域中的应用医学领域中的应用医学领域中的应用医学领域中的应用16.6.10 16.6.10 在机械过程中的应用在机械过程中的应用在机械过程中的应用在机械过程中的应用 1.用于通用机械 2.用于模具2323 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力

20、学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程对于直角坐标系，三个正交平面上的应力分量对于直角坐标系，三个正交平面上的应力分量 是是：其中，16.7 各向异性弹性力学基本方程各向异性弹性力学基本方程2424 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程应变张量应变张量应变张量应变张量 可表示为可表示为可表示为可表示为:2525 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品

21、课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程三个运动（或平衡）方程式三个运动（或平衡）方程式三个运动（或平衡）方程式三个运动（或平衡）方程式:式中zyx,fff是单位体积的体积力分量，r是质量密度，t 是时间。2626 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程几何关系（小变形）几何关系（小变形）几何关系（小变形）几何关系（小变形）:2727 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品

22、课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程变形协调方程变形协调方程变形协调方程变形协调方程:其中实际上有3个独立关系式。2828 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程各各各各向向向向异异异异性性性性弹弹弹弹性性性性体体体体的的的的应应应应力力力力应应应应变变变变关关关关系系系系（本本本本构构构构关关关关系系系系）小小小小变变变变形形形形时时时时，应应应应力力力力分分分分量与应变分量间有下列关系量与应变分量间有下列关系量与应变分量间有下列关系量与应变分量

23、间有下列关系:式中 称为刚度系数。以以上上1515个个方方程程，加加上上给给定定力力的的边边界界条条件件和和给给定定位位移移的的边边界界条条件件，可可以以确确定定应应力力应应变变和和位位移移共共1515个个未未知知量量。同同各各向向同同性性弹弹性性力力学学基基本本方方程程相相比比，区区别别只只在在物物理理方方程程应力应变关系。应力应变关系。2929 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程图 16.4 弹性对称平面 图16.5 弹性对称面中的剪应力 16.8 各向异

24、性弹性体的应力应变关系各向异性弹性体的应力应变关系16.8.1 16.8.1 具有一个弹性对称平面的材料具有一个弹性对称平面的材料具有一个弹性对称平面的材料具有一个弹性对称平面的材料3030 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程16.8.2 16.8.2 正交各向异性材料正交各向异性材料正交各向异性材料正交各向异性材料 具有两个正交弹性对称的材料一定对于和这两个平面垂直的第三个平面具有对称性，这种材料称为正交各向异性材料，其刚度矩阵C如下 3131 湘潭大学土木

25、工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程 若经过弹性体材料一轴线，在垂直该轴线的平面内，各点的弹性性能在各方向上都相同，则此材料称为横观各向同性材料，此平面叫各向同性面。16.8.3 16.8.3 横观各向同性材料横观各向同性材料横观各向同性材料横观各向同性材料图16.6 应力转轴3232 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程横观各向同性材料的柔

26、度矩阵为3333 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程各向同性材料中每一点在任意方向上弹性特性都相同，则刚度、柔度系数分别有下列关系16.8.4 16.8.4 各向同性材料各向同性材料各向同性材料各向同性材料3434 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程各向同性材料的刚度和柔度矩阵分别为 3535 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大

27、学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程 工程上常采用工程弹性常数来表示材料的弹性特性。这些工程弹性常数是广义的弹性模量 ，泊松比 和剪切模量 ，这些常数可用简单的拉伸及纯剪试验来测定。测得的工程弹性常数与柔度系数的关系表示如下:=16.9 正交各向异性材料的工程弹性常数正交各向异性材料的工程弹性常数3636 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程3737 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程首首页页3838 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程材料力学精品课程作作 业业16.116.216.43939 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院