單向復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能

1、 第十章第十章 單向復(fù)合材料的靜態(tài)單向復(fù)合材料的靜態(tài)力學(xué)性能力學(xué)性能 2010.910.1 單向復(fù)合材料的對稱性和基本性能指標(biāo)單向復(fù)合材料的對稱性和基本性能指標(biāo) 一、單向復(fù)合材料的對稱性一、單向復(fù)合材料的對稱性 用纖維復(fù)合材料制造的層合板或構(gòu)件大都由用纖維復(fù)合材料制造的層合板或構(gòu)件大都由許多性質(zhì)不同的單向鋪層構(gòu)成。通常每個(gè)鋪層是許多性質(zhì)不同的單向鋪層構(gòu)成。通常每個(gè)鋪層是用相同組分的材料制成的，但是一個(gè)鋪層與另一用相同組分的材料制成的，但是一個(gè)鋪層與另一個(gè)鋪層可以在以下幾個(gè)方面不相同：個(gè)鋪層可以在以下幾個(gè)方面不相同：組分相對體積；組分相對體積；增強(qiáng)材料形式，如長的或短的纖維、編織的或未增強(qiáng)材料形

2、式，如長的或短的纖維、編織的或未編織的增強(qiáng)材料；編織的增強(qiáng)材料；纖維的取向。纖維的取向。10.1 單向復(fù)合材料的對稱性和基本性能指標(biāo)單向復(fù)合材料的對稱性和基本性能指標(biāo) 此外，在混雜復(fù)合材料中，各個(gè)鋪層中的此外，在混雜復(fù)合材料中，各個(gè)鋪層中的組分材料還可不同。因此，單一鋪層的復(fù)組分材料還可不同。因此，單一鋪層的復(fù)合材料代表了層合板結(jié)構(gòu)的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)合材料代表了層合板結(jié)構(gòu)的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元，稱之為單向復(fù)合材料。單元，稱之為單向復(fù)合材料。典型的單向復(fù)合材料鋪層示意圖典型的單向復(fù)合材料鋪層示意圖 它是由平行的纖維嵌入基體中構(gòu)成。將幾層單向它是由平行的纖維嵌入基體中構(gòu)成。將幾層單向鋪層，按照規(guī)定的方向和

3、順序鋪疊起來，即可制鋪層，按照規(guī)定的方向和順序鋪疊起來，即可制造成復(fù)合材料層合板。造成復(fù)合材料層合板。 單向鋪層呈現(xiàn)正交各向異性，并有單向鋪層呈現(xiàn)正交各向異性，并有3個(gè)對稱平面。個(gè)對稱平面。參見上圖，三個(gè)對稱平面與坐標(biāo)參見上圖，三個(gè)對稱平面與坐標(biāo)x、y、z相符合。相符合。平行于纖維的方向稱為縱向（平行于纖維的方向稱為縱向（x軸），垂直于纖軸），垂直于纖維的方向稱為橫向（維的方向稱為橫向（y向或向或z向）。通常，在縱向向）。通常，在縱向上鋪層有最強(qiáng)的性能，而在其它兩個(gè)橫向方向上，上鋪層有最強(qiáng)的性能，而在其它兩個(gè)橫向方向上，材料性能近似相等。因此，鋪層可被看作是橫向材料性能近似相等。因此，鋪層可被

4、看作是橫向各向同性。也就是說，在各向同性。也就是說，在y-z平面內(nèi)，材料各向同平面內(nèi)，材料各向同性。性。 實(shí)際的單向鋪層在鋪層厚度范圍內(nèi)，常常有數(shù)根纖實(shí)際的單向鋪層在鋪層厚度范圍內(nèi)，常常有數(shù)根纖維穿過鋪層，而且纖維在整個(gè)截面內(nèi)隨機(jī)分布，有維穿過鋪層，而且纖維在整個(gè)截面內(nèi)隨機(jī)分布，有時(shí)甚至在一些部位可能彼此接觸。只有直徑很大的時(shí)甚至在一些部位可能彼此接觸。只有直徑很大的纖維（如硼纖維）才可能在鋪層厚度范圍內(nèi)僅能容纖維（如硼纖維）才可能在鋪層厚度范圍內(nèi)僅能容許一根穿過。許一根穿過。增強(qiáng)體增強(qiáng)體增強(qiáng)體增強(qiáng)體鋪層橫截面示意圖鋪層橫截面示意圖 對于各向異性的單向復(fù)合材料，強(qiáng)度和對于各向異性的單向復(fù)合材料

5、，強(qiáng)度和剛度都將隨方向而改變。剛度都將隨方向而改變。 單向復(fù)合材料有單向復(fù)合材料有五個(gè)特征強(qiáng)度值五個(gè)特征強(qiáng)度值，即：，即： 縱向拉伸強(qiáng)度縱向拉伸強(qiáng)度 橫向拉伸強(qiáng)度橫向拉伸強(qiáng)度 縱向壓縮強(qiáng)度縱向壓縮強(qiáng)度 橫向壓縮強(qiáng)度橫向壓縮強(qiáng)度 面內(nèi)剪切強(qiáng)度面內(nèi)剪切強(qiáng)度 還有還有四個(gè)特征彈性常數(shù)四個(gè)特征彈性常數(shù)，即：，即： 縱向彈性模量、縱向彈性模量、 橫向彈性模量、橫向彈性模量、 主泊松比主泊松比 面內(nèi)切變模量。面內(nèi)切變模量。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些特征強(qiáng)度和彈性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些特征強(qiáng)度和彈性常數(shù)是彼此獨(dú)立的。因此，單向復(fù)合材料常數(shù)是彼此獨(dú)立的。因此，單向復(fù)合材料有有9個(gè)基本性能數(shù)據(jù)（單軸加載）。個(gè)基本性能數(shù)據(jù)

6、（單軸加載）。二、單向復(fù)合材料基本性能測試二、單向復(fù)合材料基本性能測試 單向復(fù)合材料的單向復(fù)合材料的9個(gè)獨(dú)立的基本性能指標(biāo)個(gè)獨(dú)立的基本性能指標(biāo)是采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測定的。是采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測定的。拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)與金屬拉伸實(shí)驗(yàn)相仿，單向復(fù)合材料的拉與金屬拉伸實(shí)驗(yàn)相仿，單向復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)要在縱向和橫向兩個(gè)方向分別進(jìn)行。伸試驗(yàn)要在縱向和橫向兩個(gè)方向分別進(jìn)行。拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn) 與金屬拉伸實(shí)驗(yàn)相仿，單向復(fù)合材料的拉伸與金屬拉伸實(shí)驗(yàn)相仿，單向復(fù)合材料的拉伸試驗(yàn)要在縱向和橫向兩個(gè)方向分別進(jìn)行。試驗(yàn)要在縱向和橫向兩個(gè)方向分別進(jìn)行。 單向復(fù)合材料層板縱向受作用力單向復(fù)合材料層板縱向受作用力 x，由于，由于泊

7、松效應(yīng)引起雙軸應(yīng)變，在線彈性條件下，泊松效應(yīng)引起雙軸應(yīng)變，在線彈性條件下，有：有： xLxE1xLLTxLTyE式中：EL LE縱向彈性模量；xyLT/為縱向泊松比，稱為主泊松比。 單向復(fù)合材料橫向作用單軸拉應(yīng)力，也引起雙單向復(fù)合材料橫向作用單軸拉應(yīng)力，也引起雙軸應(yīng)變：軸應(yīng)變：xTyE1yTTLyTLxE式中： TE橫向彈性模量；yxTL/為橫向泊松比，稱為次泊松比。 橫向剛度與縱向剛度的比較橫向剛度與縱向剛度的比較 由前述對縱向剛度和橫向剛度的模型可以由前述對縱向剛度和橫向剛度的模型可以分別預(yù)測復(fù)合材料的縱向剛度分別預(yù)測復(fù)合材料的縱向剛度EL和橫向剛和橫向剛度度ET。 纖維在提高復(fù)合材料橫向

8、模量方面的作用纖維在提高復(fù)合材料橫向模量方面的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于縱向。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于縱向。 從理論上看，只有纖維的含量提高到從理論上看，只有纖維的含量提高到90以上，才能使橫向模量提高到與縱向模量以上，才能使橫向模量提高到與縱向模量相當(dāng)?shù)乃剑@樣高的纖維含量實(shí)際上相當(dāng)?shù)乃?，而這樣高的纖維含量實(shí)際上是不可能的。是不可能的。 因此，除纖維分?jǐn)?shù)很高情況，實(shí)際纖維對因此，除纖維分?jǐn)?shù)很高情況，實(shí)際纖維對提高橫向模量貢獻(xiàn)不大。提高橫向模量貢獻(xiàn)不大。 10.3 復(fù)合材料的失效模式和強(qiáng)度復(fù)合材料的失效模式和強(qiáng)度 對于復(fù)合材料，材料內(nèi)部的損傷通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于能對于復(fù)合材料，材料內(nèi)部的損傷通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于能觀察到宏觀外貌或特性的變化。復(fù)合材料內(nèi)部損觀察到宏觀外貌或特性的變化。復(fù)合材料內(nèi)部損傷的主要形式有：傷的主要形式有：1. 纖維斷裂纖維斷裂2. 基體微觀斷裂基體微觀斷裂3. 纖維與基體分離（脫膠）纖維與基體分離（脫膠）4. 在層合復(fù)合材料中鋪層彼此分離（分層）在層合復(fù)合材料中鋪層彼此分離（分層） 這些損傷形式可能單獨(dú)地發(fā)生，也可能聯(lián)合出現(xiàn)，這些損傷形式可能單獨(dú)地發(fā)生