復(fù)合材料力學(xué)講義(第二版)-[通用]

1、復(fù)合材料力學(xué)5復(fù)合材料力學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容簡(jiǎn)單層板的宏觀力學(xué)性能簡(jiǎn)單層板的微觀力學(xué)性能簡(jiǎn)單層板的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡(jiǎn)單層板的強(qiáng)度問(wèn)題剛度的彈性力學(xué)分析方法剛度的材料力學(xué)分析方法強(qiáng)度的材料力學(xué)分析方法簡(jiǎn)單層板的宏觀力學(xué)性能復(fù)合材料力學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容經(jīng)典層合理論層合板的強(qiáng)度問(wèn)題層合板的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系剛度的特殊情況層間應(yīng)力強(qiáng)度分析方法層合板設(shè)計(jì)層合板的宏觀力學(xué)性能層合板的彎曲振動(dòng)與屈曲層合板的宏觀力學(xué)性能復(fù)合材料兩個(gè)典型特征引言復(fù)合材料的尺度引言Strain-Stress RelationsStrain-Stress RelationsPlane-Stress StatePlane-Stress Constitutive

2、 EquationsStrain-Stress Relations in Reference CoordinatesStrain-Stress Relations in Reference Coordinates引言層合板定義：是由兩層或多層簡(jiǎn)單層板粘合在一起作為一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)單元各單層的材料主方向的布置應(yīng)使結(jié)構(gòu)元件能承受幾個(gè)方向的載荷單層板是層合板或?qū)雍辖Y(jié)構(gòu)分層的基本單元，對(duì)它的宏觀力學(xué)研究是分析層合結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)層合板各單層的材料、厚度和彈性主方向等可以互不相同。適當(dāng)?shù)馗淖冞@些參數(shù)，人們就可以設(shè)計(jì)出最有效地承受特定外載的結(jié)構(gòu)元件，這是復(fù)合材料層合板突出的優(yōu)點(diǎn)之一引言有不同物理性質(zhì)和幾何尺寸單層

3、組成的層合板具有最一般的各向異性性質(zhì)層合板不一定有確定的主方向這種層合板在厚度方向具有客觀的非均勻性和力學(xué)性質(zhì)的不連續(xù)性對(duì)層合板的力學(xué)分析就變得更為復(fù)雜已知單層的性質(zhì)，主要關(guān)注沿厚度方向的應(yīng)力和應(yīng)變的變化單層板的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系第k層的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系層與層過(guò)渡和層與層的結(jié)合方式的考慮？沿厚度方向的積分經(jīng)典層合理論（Classical Laminate Plate Theory）層間變形一致性假設(shè)層合板各單層之間粘合層非常薄，單層邊界兩邊的位移是連續(xù)的，層間不能滑移，無(wú)相對(duì)位移直法線不變假設(shè)假設(shè)垂直于層合板中面的一根初始直線，在層合板受到拉伸和彎曲后，仍保持直線并垂直于中面；變形前垂直與板中面的直

4、線在變形后仍保持垂直，且長(zhǎng)度不變板的克希荷夫假設(shè)(Kirchhoff)殼的克希荷夫-勒普假設(shè)(Kirchhoff-Love)在上述假設(shè)基礎(chǔ)上建立的層合板理論稱為經(jīng)典層合板理論經(jīng)典層合理論經(jīng)典層合板理論的假設(shè)沒(méi)有針對(duì)層合平板的限制，層合板也可以是曲面或殼另外單層平面應(yīng)力狀態(tài)假設(shè)：層合板中各單層都可近似地認(rèn)為處于平面應(yīng)力狀態(tài),在厚度方向上的正應(yīng)力于其它應(yīng)力相比很小，可忽略不計(jì)經(jīng)典層合理論x,uy,vz,w變形前的橫截面變形后的橫截面XZ平面內(nèi)的變形幾何zxzcABCDu0w0ABCDzc經(jīng)典層合理論B：中面上一點(diǎn)C：任意點(diǎn)是層合板中面在X方向上的斜率層合板厚度上任意一點(diǎn)z的位移u為：同樣，在yz平

5、面內(nèi)，y方向上的位移v為：zxzcABCDu0w0ABCDzc經(jīng)典層合理論板內(nèi)任一點(diǎn)的位移分量可表示為：由直法線不變假設(shè)，得經(jīng)典層合理論UndeformedClassical plate theoryFirst-order plate theoryThird-order plate theoryDisplacement Fields of VariousLaminate TheoriesClassical plate theoryFirst-order plate theoryThird-order plate theory經(jīng)典層合理論Classical plate theory經(jīng)典層合理論應(yīng)

6、變由位移確定如下:若用矩陣形式表示經(jīng)典層合理論分別稱為中面面內(nèi)應(yīng)變列陣和中面彎曲應(yīng)變列陣稱為曲率稱為扭曲率剪切變形理論不為零經(jīng)典層合理論每一層的Qij是不同的經(jīng)典層合理論LaminateStraindistributionStressdistribution因?qū)雍习逖睾穸确较蛭锢硇再|(zhì)不連續(xù)導(dǎo)致應(yīng)力的不連續(xù)經(jīng)典層合理論經(jīng)典層合理論經(jīng)典層合理論定義作用在單位寬度上層合板的平均內(nèi)力 Ni 和內(nèi)力矩Mi為（i=x，y，xy）xyzNyxNyNxyNxxyz層合平板的力矩MyMyxMxyMx經(jīng)典層合理論經(jīng)典層合理論N層層合板上作用的全部合力和力矩為：經(jīng)典層合理論不是z的函數(shù)而是中面值可以從積分中提出經(jīng)典

7、層合理論經(jīng)典層合理論經(jīng)典層合理論子矩陣A、B和 D面內(nèi)剛度矩陣耦合剛度矩陣彎曲剛度矩陣都是33對(duì)稱矩陣經(jīng)典層合理論經(jīng)典層合理論Bij的存在意味著層和板在彎曲和拉伸之間的相互耦合拉力不僅引起層合板的拉伸變形，而且也使層合板扭轉(zhuǎn)或彎曲層合板承受力矩作用時(shí)，也會(huì)引起中面的拉伸變形化簡(jiǎn)問(wèn)題：A B DLAMINATE WITH GENERALSTACKING SEQUENCEA GENERAL ANGLE-PLY LAMINATEA CROSS-PLY LAMINATEA SYMMETRIC LAMINATEA SYMMETRIC CROSS-PLYLAMINATEA SYMMETRIC ANGLE-

8、PLYLAMINATEAN ANTISYMMETRIC LAMINATEAN ANTISYMMETRICCROSS-PLY LAMINATE層合板剛度的特殊情況具有相同材料性能和厚度的單層板，彼此的材料主方向不同，也不同于層合板軸的方向逐步復(fù)雜化的特殊情況單層結(jié)構(gòu)的剛度各向同性特殊正交各向異性一般正交各向異性各向異性對(duì)稱于中面的層合板反對(duì)稱于中面的層合板層合板剛度的特殊情況各向同性單層層合板剛度的特殊情況合力僅僅與層合板中面內(nèi)的應(yīng)變有關(guān)，合力矩僅與中面的曲率有關(guān)各向同性層板的拉伸與彎曲之間沒(méi)有耦合影響，面內(nèi)沒(méi)有耦合，同時(shí)層合板剛度的特殊情況特殊正交各向異性單層厚度為t，單層剛度Qij有如下公式

9、給出的正交各向單層層合板剛度的特殊情況特殊正交各向異性單層合力僅僅與層合板中面內(nèi)的應(yīng)變有關(guān)，合力矩僅與中面的曲率有關(guān)拉伸與彎曲之間沒(méi)有耦合影響，面內(nèi)沒(méi)有耦合層合板剛度的特殊情況一般正交各向異性單層拉伸與彎曲之間沒(méi)有耦合影響，面內(nèi)有耦合層合板剛度的特殊情況對(duì)稱層合板幾何和材料性能都對(duì)稱于中面的層合板剛度方程可以大大簡(jiǎn)化由于剛度特性和厚度的對(duì)稱性。可以證明所有的耦合剛度都為零沒(méi)有耦合對(duì)稱層合板通常比有耦合影響的層合板容易分析對(duì)稱層合板沒(méi)有因固化后冷卻時(shí)的熱收縮引起的扭曲傾向?qū)嶋H工程中通常采用層合板剛度的特殊情況-對(duì)稱層合板多層各向同性層的對(duì)稱層合板對(duì)稱層合板的合力和合力矩對(duì)稱層合板分析為零的可能性

10、Aij是各單層的Qij和單層厚度的乘積之和，得到各個(gè)Aij為零的唯一辦法是使所有的Qij為零，或某些Qij是負(fù)，某些是正，使他們與厚度乘積之和為零，根據(jù)轉(zhuǎn)換剛度表達(dá)式，所有三角函數(shù)都是偶次冪，顯然Q11、Q12、Q22和Q66為正定的，厚度總是正值，因此A11、A12、A22和A66為正定的Bij對(duì)稱性Dij：Q11、Q12、Q22和Q66為正定的，幾何相總是正值，因此D11、D12、D22和D66為正定的對(duì)稱層合板多層特殊正交各向異性層組成的對(duì)稱層合板：材料主方向與層合板軸向一致相當(dāng)于特殊正交各向異性單層板正規(guī)對(duì)稱正交鋪層層合板：厚度和材料性能相同，材料主方向與層和板軸交替成0和90角，必須

11、是奇數(shù)層Classical Orthotropic Laminates對(duì)稱層合板多層一般正交各向異性層組成的對(duì)稱層合板正規(guī)對(duì)稱角鋪設(shè)層合板厚度和材料性能相同相鄰單層的材料性能主方向與層合板軸成相反的角度必須是奇數(shù)層Bij為零且A16、A26、D16、D26很小，簡(jiǎn)化比簡(jiǎn)單正交各向異性鋪設(shè)層合板有較大的剪切剛度Classical Anisotropic LaminatesPseudo Orthotropic LaminatesRatios of Bending Coefficients對(duì)稱層合板多層各向異性層組成的對(duì)稱層合板反對(duì)稱層合板需要耦合影響渦輪葉片增加層合板的剪切剛度偶數(shù)層一般要求每一層

12、的厚度相同反對(duì)稱層合板反對(duì)稱層合板反對(duì)稱正交鋪設(shè)層合板厚度相等正規(guī)反對(duì)稱正交鋪設(shè)層合板隨著層數(shù)的增加，耦合剛度B11趨于零反對(duì)稱層合板反對(duì)稱角鋪設(shè)層合板隨著層數(shù)的增加，耦合剛度B16和B26趨于零不對(duì)稱層合板多層各向同性層情況（性質(zhì)、厚度、方向）不均勻性Unsymmetric Cross-Ply LaminatesUnsymmetric Angle Ply LaminatesGeneral Laminates層合板的簡(jiǎn)單表示法上面一個(gè)符號(hào)為前一個(gè)鋪層圓括號(hào)內(nèi)為編織物層合板的簡(jiǎn)單表示法子層混雜纖維C：碳纖維K：芳綸纖維G：玻璃纖維B：硼纖維夾芯結(jié)構(gòu)C：夾芯下標(biāo)：夾芯厚度小結(jié)以中面為參考面詳細(xì)掌握

13、剛度公式分析對(duì)稱情況材料幾何耦合作用不可忽視層合板剛度的理論和試驗(yàn)比較對(duì)預(yù)測(cè)層合板的剛度與測(cè)量層合板的剛度做個(gè)比較層合板剛度的理論和試驗(yàn)比較大多數(shù)試驗(yàn)中，變形是因變量，作用了載荷，測(cè)量由此而起的變形層合板剛度的理論和試驗(yàn)比較層合板剛度的理論和試驗(yàn)比較正交各向異性層合板層合板剛度的理論和試驗(yàn)比較正交鋪設(shè)比單層主剛度比正交各向異性層合板層合板剛度的理論和試驗(yàn)比較N=奇數(shù)，對(duì)稱層合板剛度的理論和試驗(yàn)比較層合板剛度的理論和試驗(yàn)比較N=偶數(shù)，反對(duì)稱層合板剛度的理論和試驗(yàn)比較對(duì)于正交鋪設(shè)層合板和角對(duì)稱鋪設(shè)層合板剛度的理論預(yù)報(bào)和試驗(yàn)值吻合的很好方法是有效可行的層合板剛度的理論和試驗(yàn)比較層合板強(qiáng)度層合板強(qiáng)度由

14、單層板強(qiáng)度預(yù)報(bào)層合板強(qiáng)度的方法需要了解每一單層的應(yīng)力狀態(tài)給出的層合板能承受的最大載荷承受給定載荷所必需的層合板特征對(duì)復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，一層的破壞未必意味著整個(gè)層合板的破壞，層合板的強(qiáng)度與下列因素有關(guān)：各層強(qiáng)度、各層剛度各層熱膨脹系數(shù)各層方向、各層厚度疊合順序、固化溫度疊合順序影響彎曲剛度和耦合剛度固化溫度影響殘余應(yīng)力層合板強(qiáng)度層合板的最先一層失效強(qiáng)度層合板的極限強(qiáng)度層合板在外力作用下一般是逐層破壞的，導(dǎo)致層合板各層全部時(shí)效是層合板的承受的最大應(yīng)力，或正則化應(yīng)力為層合板的極限強(qiáng)度層合板的宏觀各向異性強(qiáng)度將層合板看成是各向異性材料，用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定其在單向載荷下的基本力學(xué)性能數(shù)據(jù)層合板強(qiáng)度鋪層的強(qiáng)度比：

15、 在作用應(yīng)力下，極限應(yīng)力（或強(qiáng)度）某一分量與其對(duì)應(yīng)的作用應(yīng)力分量之比值稱為強(qiáng)度/應(yīng)力比，簡(jiǎn)稱強(qiáng)度比，用R表示，即：作用的應(yīng)力分量對(duì)應(yīng)與應(yīng)力分量的極限應(yīng)力或強(qiáng)度分量層合板強(qiáng)度分析程序各 層 性 能外界載荷之間的比例計(jì)算層合板的剛度ABD如果沒(méi)有層片破壞如果層片破壞計(jì)算和載荷系數(shù)有關(guān)的各層應(yīng)力在材料主方向上確定相對(duì)的各層應(yīng)力將相對(duì)的各層應(yīng)力和破壞準(zhǔn)則進(jìn)行比較計(jì)算一層破壞時(shí)的載荷用于給零的性能，從層合板中消去一層計(jì)算層和板的變形xyxy用于給零的性能，從層合板中消去一層計(jì)算層和板的變形xyxy如果層片破壞將各層應(yīng)力和破壞準(zhǔn)則進(jìn)行比較如果沒(méi)有破壞，增加載荷系數(shù)直到有一層破壞如果有一層破壞如果沒(méi)有層片留

16、下，在最后載荷下，整個(gè)層合板發(fā)生破壞（程序結(jié)束）計(jì)算最后載荷水平下的各層應(yīng)力確定材料主方向的各層應(yīng)力計(jì)算層合板的剛度ABD層合板強(qiáng)度分析程序?qū)雍习鍙?qiáng)度如果沒(méi)有破壞，建立以未知載荷為函數(shù)的各層應(yīng)力，載荷比例在開(kāi)始時(shí)規(guī)定好，增加載荷參數(shù)直至某一層破壞如果有層破壞，重新計(jì)算各層的應(yīng)力，以確定一層破壞以后的應(yīng)力分布，然后在整個(gè)分析中證明余下的各層在增加了的應(yīng)力情況下，在使一層破壞的同樣載荷下不破壞，如果沒(méi)有更多層破壞，再增加載荷；要注意一層破壞引起的增加應(yīng)力而不發(fā)生連續(xù)破壞強(qiáng)度分析的整個(gè)程序與破壞載荷無(wú)關(guān)，但最大載荷和變形取決于特定的破壞準(zhǔn)則層合板的強(qiáng)度準(zhǔn)則單層板的強(qiáng)度準(zhǔn)則都可以用于層合板的分析最大應(yīng)

17、力準(zhǔn)則最大應(yīng)變準(zhǔn)則蔡-希爾準(zhǔn)則霍夫曼準(zhǔn)則蔡胡張量理論曾介紹過(guò)E玻璃/環(huán)氧簡(jiǎn)單層板二向應(yīng)力狀態(tài)下以角鋪設(shè)對(duì)成層合板為例看準(zhǔn)則的適用性三層E-玻璃/環(huán)氧層合板的強(qiáng)度準(zhǔn)則沒(méi)有耦合單向拉伸時(shí)層合板的強(qiáng)度準(zhǔn)則層合板的強(qiáng)度增量法鋪層材料性能參數(shù)鋪層角鋪層偏軸模量層合板剛度系數(shù)層合板柔度系數(shù)層合板應(yīng)變?cè)隽扛麂亴诱S應(yīng)變?cè)隽扛麂亴诱S應(yīng)力增量各鋪層強(qiáng)度比層合板強(qiáng)度增量強(qiáng)度比最小鋪層退化各鋪層全部退化結(jié)束程序首先確定最先一層失效強(qiáng)度，計(jì)算此強(qiáng)度下個(gè)層的應(yīng)力，將失效層退化，計(jì)算退化后層合板剛度，按此剛度計(jì)算下一層失效時(shí)的強(qiáng)度增量和各層應(yīng)力增量，再將該層失效，直至各層全部失效，最先一層失效強(qiáng)度與所有各層失效時(shí)強(qiáng)度增

18、量的總和，為層合板的極限強(qiáng)度一般對(duì)失效層退化采用如下假定：層合板的強(qiáng)度全量法鋪層材料性能參數(shù)鋪層角鋪層偏軸模量層合板剛度系數(shù)層合板柔度系數(shù)各鋪層應(yīng)變?cè)隽扛麂亴討?yīng)力增量各鋪層強(qiáng)度比強(qiáng)度比最小鋪層退化各鋪層全部退化結(jié)束程序首先進(jìn)行層合板的各層應(yīng)力分析，利用強(qiáng)度比方程計(jì)算各個(gè)鋪層的強(qiáng)度比，強(qiáng)度比最小的鋪層最先失效，將最先失效層退化，然后計(jì)算失效層退化后的層合板剛度，以及各層應(yīng)力，再求各層強(qiáng)度比，強(qiáng)度比最小的層繼而失效，再計(jì)算二次退化后的層合板剛度以及各層應(yīng)力，各層依次失效，可得各層失效時(shí)的各個(gè)強(qiáng)度比，這些強(qiáng)度比中最大值對(duì)應(yīng)的層合板正則化內(nèi)力就是層合板的極限強(qiáng)度。層合板的濕、熱應(yīng)力分析縱向、橫向的熱膨

19、脹系數(shù)縱向、橫向的濕膨脹系數(shù)溫差水分含量熱剪系數(shù)濕剪系數(shù)高溫固化工藝實(shí)際應(yīng)用環(huán)境考慮濕、熱影響的本構(gòu)關(guān)系可寫(xiě)為：層合板的熱應(yīng)力分析層合板的熱應(yīng)力分析只有在總的應(yīng)變和曲率受到完全約束，即為零時(shí)，才是真正的熱力層合板的熱應(yīng)力分析層合板的熱應(yīng)力分析等效力層合板強(qiáng)度分析程序各 層 性 能外界載荷之間的比例計(jì)算層合板的剛度ABD如果沒(méi)有層片破壞如果層片破壞計(jì)算和載荷系數(shù)有關(guān)的各層應(yīng)力在材料主方向上確定相對(duì)的各層應(yīng)力將相對(duì)的各層應(yīng)力和破壞準(zhǔn)則進(jìn)行比較計(jì)算一層破壞時(shí)的載荷用于給零的性能，從層合板中消去一層計(jì)算層和板的變形xyxy用于給零的性能，從層合板中消去一層計(jì)算層和板的變形xyxy如果層片破壞將各層應(yīng)力

20、和破壞準(zhǔn)則進(jìn)行比較如果沒(méi)有破壞，增加載荷系數(shù)直到有一層破壞如果有一層破壞如果沒(méi)有層片留下，在最后載荷下，整個(gè)層合板發(fā)生破壞（程序結(jié)束）計(jì)算最后載荷水平下的各層應(yīng)力確定材料主方向的各層應(yīng)力計(jì)算層合板的剛度ABD層合板強(qiáng)度分析程序例：正交鋪設(shè)層合板的強(qiáng)度Nx=N正交鋪設(shè)比為M=0.2(里層的厚度是外面一層厚度的10倍）E玻璃/環(huán)氧單層的性能為：(應(yīng)力單位：磅/英寸2） 各 層 性 能外界載荷之間的比例例：正交鋪設(shè)層合板的強(qiáng)度一、破壞前的變形1、計(jì)算單層的二維剛度表觀熱膨脹系數(shù)計(jì)算層合板的剛度ABD例：正交鋪設(shè)層合板的強(qiáng)度2、層合板的拉伸剛度計(jì)算層合板的剛度ABD層合板的厚度例：正交鋪設(shè)層合板的強(qiáng)度3、計(jì)算溫度變化引起的內(nèi)力熱力矩為零計(jì)算最后載荷水平下的各層應(yīng)力例：正交鋪設(shè)層合板的強(qiáng)度4、計(jì)算各層應(yīng)力例：正交鋪設(shè)層合板的強(qiáng)度應(yīng)力已經(jīng)表示為外載荷和溫度梯度的線性函數(shù)外層內(nèi)層例：正交鋪設(shè)層合板的強(qiáng)度4、破壞準(zhǔn)則的應(yīng)用 用破壞準(zhǔn)則確定沒(méi)有任何一層破壞時(shí)層合板能承受的最大N和T值，就是對(duì)每一層分別應(yīng)用破壞準(zhǔn)則判斷。對(duì)特定的正交鋪設(shè)層合板，每一層的蔡-希爾準(zhǔn)則可以表示為：將相對(duì)的各層應(yīng)力和破壞準(zhǔn)則進(jìn)行比較例：正交鋪設(shè)層合板的強(qiáng)度對(duì)外層：例：正交鋪設(shè)層合板的強(qiáng)度如果在室溫下固