复合材料力学基础.ppt
材料力学(Material Mechanics),湘潭大学土木工程与力学学院,2,16 复合材料力学基础,湘潭大学土木工程与力学学院,3,=,=,16.1 概 述 16.2 复合材料的种类16.3 合材料的构造及制法 16.4 复合材料力学分析的基本假设和方法 16.5 复合材料的力学性能 16.6 复合材料的各种应用 16.7 各向异性弹性力学基本方程 16.8 各向异性弹性体的应力应变关系 16.9 正交各向异性材料的工程弹性常数,湘潭大学土木工程与力学学院,4,复合材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 述,湘潭大学土木工程与力学学院,5,16.2 复合材料的种类,颗粒复合材料 层合复合材料 纤维增强复合材料,16.2.1 复合材料的种类,湘潭大学土木工程与力学学院,6,1.玻璃纤维 2.硼纤维 3.碳纤维 4.芳纶纤维 5.碳化硅纤维及氧化铝纤维,16.2.2 几种常用纤维,湘潭大学土木工程与力学学院,7,1.树脂基体2.金属基体3.陶瓷基体4.碳素基体,几种常用基体,湘潭大学土木工程与力学学院,8,（a）单层纤维,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 合材料的构造及制法,16.3.1 复合材料的基本形式,湘潭大学土木工程与力学学院,9,图16.2 叠层材料构造形式举例,叠层复合材料,湘潭大学土木工程与力学学院,10,1.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 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。,湘潭大学土木工程与力学学院,11,3.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，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。,湘潭大学土木工程与力学学院,12,1.层合板是连续的2.单向板是均匀的3.单向板是正交各向异性的4.层合板是线弹性的5.层合板的变形是很小的,16.4 复合材料力学分析的基本假设和方法,16.4.1 基本假设,湘潭大学土木工程与力学学院,13,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 细观力学,16.4.3 宏观力学,湘潭大学土木工程与力学学院,14,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 复合材料结构力学,湘潭大学土木工程与力学学院,15,16.5 复合材料的力学性能,16.5.1 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。,湘潭大学土木工程与力学学院,16,比强度高，尤其是高强碳纤维、芳纶纤维复合材料。比模量高，除玻璃纤维环氧外其余复合材料比模量值比金属高很多，特别是高模量碳纤维复合材料最为突出。材料具有可设计性，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 复合材料的优点,湘潭大学土木工程与力学学院,17,材料各向异性严重，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。材料性能的分散度较大，质量控制和检测较困难。材料成本较高，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，机械连接较困难。,16.5.3 复合材料的缺点,湘潭大学土木工程与力学学院,18,16.6 复合材料的各种应用,16.6.1 航空、航天工程应用,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 减轻发动机的重量等。,湘潭大学土木工程与力学学院,19,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 船舶工程中的应用,16.6.3 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 兵器工业中的应用,1.坦克装甲上应用 2.武器装备上应用,湘潭大学土木工程与力学学院,20,采用复合材料替代金属可减少腐蚀延长寿命,16.6.5 化学过程中应用,化工设备中采用树脂基复合材料，其重量轻、维修 容 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 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，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,湘潭大学土木工程与力学学院,21,1.火车 2.汽车 3.自行车,16.6.6 车辆制造工业中应用,16.6.7 电器设备中的应用,1.强电设备 2.电子设备 3.家用电器,湘潭大学土木工程与力学学院,22,16.6.8 体育器械中应用,1.滑雪板 2.网球拍3.棒球棒 4.高尔夫球棍5.其它,湘潭大学土木工程与力学学院,23,1.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 医学领域中的应用,16.6.10 在机械过程中的应用,1.用于通用机械 2.用于模具,湘潭大学土木工程与力学学院,24,对于直角坐标系，三个正交平面上的应力分量 是：,其中，,16.7 各向异性弹性力学基本方程,湘潭大学土木工程与力学学院,25,应变张量 可表示为:,湘潭大学土木工程与力学学院,26,三个运动（或平衡）方程式:,湘潭大学土木工程与力学学院,27,几何关系（小变形）:,湘潭大学土木工程与力学学院,28,变形协调方程:,其中实际上有3个独立关系式。,湘潭大学土木工程与力学学院,29,各向异性弹性体的应力应变关系（本构关系）小变形时，应力分量与应变分量间有下列关系:,式中 称为刚度系数。,以上15个方程，加上给定力的边界条件和给定位移的边界条件，可以确定应力应变和位移共15个未知量。同各向同性弹性力学基本方程相比，区别只在物理方程应力应变关系。,湘潭大学土木工程与力学学院,30,图 16.4 弹性对称平面,图16.5 弹性对称面中的剪应力,16.8 各向异性弹性体的应力应变关系,16.8.1 具有一个弹性对称平面的材料,湘潭大学土木工程与力学学院,31,16.8.2 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,湘潭大学土木工程与力学学院,32,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 横观各向同性材料,图16.6 应力转轴,湘潭大学土木工程与力学学院,33,横观各向同性材料的柔度矩阵为,湘潭大学土木工程与力学学院,34,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 各向同性材料,湘潭大学土木工程与力学学院,35,各向同性材料的刚度和柔度矩阵分别为,湘潭大学土木工程与力学学院,36,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,湘潭大学土木工程与力学学院,37,湘潭大学土木工程与力学学院,38,The end,湘潭大学土木工程与力学学院,39,作 业,16.116.216.4,
