《复合材料力学》课件.ppt

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1、复复 合合 材材 料料 力力 学学课程设置课程设置授课方式：集中上课、自学、课程设计授课方式：集中上课、自学、课程设计学时：学时：40学分：学分：2授课地点：复合材料所多媒体会议室（理学楼授课地点：复合材料所多媒体会议室（理学楼417）考试方式：笔试、课程设计考试方式：笔试、课程设计时间安排：时间安排：参考教材参考教材R.M.琼斯：复合材料力学（中、英文）琼斯：复合材料力学（中、英文）Stephen W.Tasi：复合材料设计：复合材料设计王震鸣：复合材料力学与复合材料结构力学王震鸣：复合材料力学与复合材料结构力学李顺林：复合材料结构设计方法李顺林：复合材料结构设计方法J.R.Vinson:T

2、he Behavior of Structures Composed of Composite Materials复合材料力学与复合材料结构力学复合材料力学与复合材料结构力学复合材料力学复合材料力学n研究复合材料的微观和宏观力学特性、包括研究复合材料的微观和宏观力学特性、包括刚度、强度、破坏机理、断裂、疲劳、冲击、刚度、强度、破坏机理、断裂、疲劳、冲击、损伤、应力集中、边界效应、环境响应和力损伤、应力集中、边界效应、环境响应和力学测试等力学问题。学测试等力学问题。复合材料结构力学复合材料结构力学：n研究复合材料结构的应力、变形、稳定和振研究复合材料结构的应力、变形、稳定和振动等问题动等问题相关

3、课程之间关系相关课程之间关系复合材料学复合材料学复合材料力学复合材料力学复合材料结构力学复合材料结构力学复合材料结构设计方法复合材料结构设计方法材料力学材料力学弹性力学弹性力学复合材料动力学复合材料动力学非线性复合材料力学非线性复合材料力学柔性复合材料力学柔性复合材料力学编织复合材料力学编织复合材料力学主要授课内容主要授课内容绪论、复合材料简介及其基本力学性能绪论、复合材料简介及其基本力学性能宇航典型复合材料与复合材料结构宇航典型复合材料与复合材料结构复合材料力学的一般理论复合材料力学的一般理论各向异性材料的本构关系及简单层板宏观力学性能各向异性材料的本构关系及简单层板宏观力学性能复合材料简单

4、层板刚度与强度的微观力学分析方法复合材料简单层板刚度与强度的微观力学分析方法层合板宏观力学性能的分析方法（刚度与强度）层合板宏观力学性能的分析方法（刚度与强度）层合板的弯曲、屈曲与振动分析层合板的弯曲、屈曲与振动分析复合材料力学分析的常用软件复合材料力学分析的常用软件复合材料及其结构在工程分析中应用复合材料及其结构在工程分析中应用复合材料结构分析的有限元解法复合材料结构分析的有限元解法课堂讨论、上机实习、考试课堂讨论、上机实习、考试绪论绪论复合材料简介复合材料简介复合材料复合材料n是指由两种以上材料组合而成的、物理和化学性质与是指由两种以上材料组合而成的、物理和化学性质与原材料不同、但又保持某

5、些有效功能的新材料。复合原材料不同、但又保持某些有效功能的新材料。复合材料中，一种材料作为基体，其他材料作为增强剂材料中，一种材料作为基体，其他材料作为增强剂w两种以上材料两种以上材料w宏观尺度上的组合宏观尺度上的组合n微观尺度上的组合（合金）微观尺度上的组合（合金）w具有各组分最好的性能，是个组分所没有具有各组分最好的性能，是个组分所没有的n复合材料是材料家族中最年轻、最活跃的新成员。所复合材料是材料家族中最年轻、最活跃的新成员。所谓谓“复合复合”，是在金属材料、有机高分子材料和无机，是在金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料自身或相互间进行，从而获得单一材料无非金属材料自身或相互间进行，

6、从而获得单一材料无法比拟的、具有综合优异性能的新型材料法比拟的、具有综合优异性能的新型材料绪论绪论复合材料简介复合材料简介Composites are made from two or more distinct materials that when combined are better(stronger,tougher,and/or more durable)than each would be separately.Compoistes are considered as combinations of material elements which differ in composi

7、tion or form on a macroscopic level with respect to each other.The individual fibrous constituent elements can be man-made,are generally insoluble,retain their identities with in the composite and may be continuous or discontinuous复合材料的发展历程复合材料的发展历程复合材料的发展，经历了古代、近代和现代三个复合材料的发展，经历了古代、近代和现代三个阶段阶段n自古以来

8、，人们就会使用天然的复合材料自古以来，人们就会使用天然的复合材料木材、木材、竹、骨骼等。最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中竹、骨骼等。最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中掺稻草，制成土砖；在灰泥中掺马鬃或在熟石膏里加掺稻草，制成土砖；在灰泥中掺马鬃或在熟石膏里加纸浆，可制成纤维增强复合材料纸浆，可制成纤维增强复合材料n近代复合材料最早的有近代复合材料最早的有玻璃纤维增强树脂玻璃纤维增强树脂（如酚醛树（如酚醛树脂、环氧树脂等）脂、环氧树脂等）玻璃钢。玻璃钢。n原子能、航空、航天、电子、化工等的发展，对材料原子能、航空、航天、电子、化工等的发展，对材料的轻质、高强、高模、高韧性、耐高温、耐磨、耐腐的

9、轻质、高强、高模、高韧性、耐高温、耐磨、耐腐蚀、电性能等提出了更高要求，使现代蚀、电性能等提出了更高要求，使现代先进复合材料先进复合材料蓬勃发展起来蓬勃发展起来高性能纤维高性能纤维和其他各种形式的复合和其他各种形式的复合材料材料示例：天然复合材料示例：天然复合材料An Example of a Natural CompositeA tree is a good example of a natural composite,consisting of cellulose(the fibrous material)and lignin(a natural polymer)forming the w

10、oody cell walls and the cementing(reinforcing)material between them.复合材料的特点及应用复合材料的特点及应用复合材料具有高比强度、高比刚度、材料轻、复合材料具有高比强度、高比刚度、材料轻、耐腐蚀、抗疲劳性能、减振性能和高温性能好耐腐蚀、抗疲劳性能、减振性能和高温性能好意即可设计等特点意即可设计等特点它最早应用于国防、航空、航天等尖端科学技它最早应用于国防、航空、航天等尖端科学技术领域，近年来，汽车、造船、建筑、化工石术领域，近年来，汽车、造船、建筑、化工石油、体育用品、生物、医疗、娱乐等部门也推油、体育用品、生物、医疗、娱乐等

11、部门也推广使用复合材料广使用复合材料n全复合材料汽车全复合材料汽车汽油之后的变革汽油之后的变革n高性能体育器械高性能体育器械-网球、棒球、高尔夫球、赛车、网球、棒球、高尔夫球、赛车、滑雪、鱼杆（光威）滑雪、鱼杆（光威）n人造器官人造器官n输油管道、储罐、压力容器等输油管道、储罐、压力容器等复合材料的制备复合材料的制备传统意义上的复合材料的制造，目前使用最广、传统意义上的复合材料的制造，目前使用最广、效果最好的是纤维增强：效果最好的是纤维增强：n采用熔铸、浸渍、层压等方法，把玻璃纤维、有机采用熔铸、浸渍、层压等方法，把玻璃纤维、有机纤维、碳纤维及其织物嵌入树脂基体中；纤维、碳纤维及其织物嵌入树脂

12、基体中；n采用熔铸、轧压等方法把硼纤维、高强度钢丝、晶采用熔铸、轧压等方法把硼纤维、高强度钢丝、晶须等嵌入铝、镁、钛合金中须等嵌入铝、镁、钛合金中n这样形成了纤维增强塑料、纤维增强金属和纤维增这样形成了纤维增强塑料、纤维增强金属和纤维增强陶瓷。强陶瓷。n除了纤维增强以外，还广泛使用已有工艺制造复合除了纤维增强以外，还广泛使用已有工艺制造复合材料，如喷涂、离子注入、层叠及骨架复合等材料，如喷涂、离子注入、层叠及骨架复合等Hand LayupVacuum Bag/AutoclaveMatched Die/MoldingFilament WindingPressure&Roll BondingPla

13、sma Spraying TechniquesPowder MetallurgyLiquid InfiltrationCoextrusionControlled SolidificationRotational MoldingPultrusionInjection MoldingCentrifugal CastingSheet Molding CompoundPneumatic Impaction复合材料的制备复合材料的制备复合材料的分类复合材料的分类复合材料包括三要素：基体材料、增强剂及复复合材料包括三要素：基体材料、增强剂及复合方式（界面结合形式）合方式（界面结合形式）n按增强剂形状不同，

14、可分为颗粒、连续纤维、短纤按增强剂形状不同，可分为颗粒、连续纤维、短纤维、弥散晶须、层状、骨架或网状、编织体增强复维、弥散晶须、层状、骨架或网状、编织体增强复合材料等合材料等n按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复合按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复合材料等材料等n按照基体材料的不同，复合材料包括按照基体材料的不同，复合材料包括聚合物基复合聚合物基复合材料材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等w热固性、热塑性热固性、热塑性w碳碳复合材料碳碳复合材料小知识小知识RMC:Resin Matrix CompositesMMC:Metal Matrix C

15、ompositesCMC:Ceramic Matrix Composites先进复合材料先进复合材料树脂基复合材料树脂基复合材料金属基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳碳/碳复合材料碳复合材料增强纤维与基体增强纤维与基体增强纤维增强纤维n玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维（玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维（Kevlar、Apmoc)、硼纤维、碳化硅纤维、硼纤维、碳化硅纤维树脂基体树脂基体n热固性聚合物热固性聚合物w聚酯、环氧、酚醛、聚酰亚胺聚酯、环氧、酚醛、聚酰亚胺n热塑性聚合物热塑性聚合物w尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯增强纤维与基体的作用与贡献增强纤维与基体的作用

16、与贡献在在RMCRMC中，增强材料是决定复合材料的拉伸强中，增强材料是决定复合材料的拉伸强度、模量、延伸率的关键组分，增强纤维的种度、模量、延伸率的关键组分，增强纤维的种类、机械性能核物理特征，在即体重的体积含类、机械性能核物理特征，在即体重的体积含量及纤维的取向决定了复合材料的性质量及纤维的取向决定了复合材料的性质树脂基体则是粘接并包容纤维，使纤维免受摩树脂基体则是粘接并包容纤维，使纤维免受摩擦损伤，均衡和传递构件所承受的载荷的主要擦损伤，均衡和传递构件所承受的载荷的主要组分，树脂基体的种类、物理特性和化学特性组分，树脂基体的种类、物理特性和化学特性决定了复合材料的剪切强度、横向拉伸强度决定

17、了复合材料的剪切强度、横向拉伸强度（非纤维方向）、压缩强度、耐化学腐蚀等性（非纤维方向）、压缩强度、耐化学腐蚀等性质）质）复合材料的性能复合材料的性能疲劳寿命疲劳寿命与温度有关的性能与温度有关的性能绝热性绝热性导热性导热性隔音性隔音性强度强度刚度刚度耐腐蚀性耐腐蚀性耐磨性耐磨性重量重量示例：材料的比强度与比刚度示例：材料的比强度与比刚度图图 不同材料比强度与工作温度关系不同材料比强度与工作温度关系图图 几种高温材料的比强度几种高温材料的比强度比强度值越大，表明越轻质高强，在金属中，比强度值不能突破4X104cm复合材料的力学性能复合材料的力学性能普通的工程材料大多是均匀的、各向同性的普通的工程

18、材料大多是均匀的、各向同性的n均质：性能不是物体位置的函数均质：性能不是物体位置的函数n各向同性：物体的性能在物体内的一点的每个方向各向同性：物体的性能在物体内的一点的每个方向都是相同的，性能不是一点方向上的函数都是相同的，性能不是一点方向上的函数复合材料一般表现为非均质和各向异性的，材复合材料一般表现为非均质和各向异性的，材料性能是位置和方向的函数料性能是位置和方向的函数n正交各向异性：在物体重的一点的三个相互垂直方正交各向异性：在物体重的一点的三个相互垂直方向上有不同的材料性能，此外还有三个相互垂直的向上有不同的材料性能，此外还有三个相互垂直的材料对称面材料对称面n各向异性：所有方向都有不

19、同的性能，没有材料对各向异性：所有方向都有不同的性能，没有材料对称面称面从微细观和宏观两个角度研究从微细观和宏观两个角度研究微观力学微观力学n从微观的角度检验组份材料之间相互影响研究复合材从微观的角度检验组份材料之间相互影响研究复合材料的性能料的性能宏观力学宏观力学n假设材料是均质的，只从复合材料的平均表观性质来假设材料是均质的，只从复合材料的平均表观性质来检验组份材料的作用检验组份材料的作用细观力学方法细观力学方法n固体力学与材料科学之间的交叉科学，从材料的细观固体力学与材料科学之间的交叉科学，从材料的细观结构入手，研究其与材料力学性能的关系结构入手，研究其与材料力学性能的关系n用连续介质力

20、学研究材料的细观结构与宏观性能关系用连续介质力学研究材料的细观结构与宏观性能关系材料与力学材料与力学材料学：从材料的物理、化学性质、材材料学：从材料的物理、化学性质、材料工艺、结构、组分的角度料工艺、结构、组分的角度固体力学：结构受力分析与材料的力学固体力学：结构受力分析与材料的力学性能性能n示例：材料中的缺陷问题严重影响材料的强示例：材料中的缺陷问题严重影响材料的强度等性能，纤维比块状结构材料有更加完整度等性能，纤维比块状结构材料有更加完整的结构，晶体在纤维中沿着纤维轴向定位，的结构，晶体在纤维中沿着纤维轴向定位，内部缺陷少，有更高的强度内部缺陷少，有更高的强度复合材料的可设计性复合材料的可

21、设计性材料与结构不可分材料与结构不可分根据我们的需求设计材料和结构根据我们的需求设计材料和结构n在我们所需要的方向上具有足够的强度和刚在我们所需要的方向上具有足够的强度和刚度，其他方向上不需要，消除材料冗余，提度，其他方向上不需要，消除材料冗余，提高材料效率高材料效率Anisotropic elasticity An in-depth discussion of the important differences between composites and conventional monolithic materials types is discussed in terms of dev

22、eloping the concepts associated with directional material properties.复合材料力学的材料力学、弹性复合材料力学的材料力学、弹性力学基础理论力学基础理论量纲量纲n基本量：长度、时间、力、质量基本量：长度、时间、力、质量n量纲相同量纲相同n无量纲化无量纲化应力和应变应力和应变截面积为截面积为S S，载荷为，载荷为P P，单位面积的力为：，单位面积的力为：应力应力原长为原长为L L，伸长量为，伸长量为，延伸率为：延伸率为：应变应变在小载荷范围内，有虎克定律：在小载荷范围内，有虎克定律：弹性模量弹性模量材料断裂时的应力为材料强度材料断裂时的应力为材料强度应力和应变应力和应变PPPPNNPNTN,N为内力，等于P对于与轴向成角的截面正应力剪应力剪切应变剪切弹性常数泊松比