復(fù)合材料力學課件

復(fù)合材料力學復(fù)合材料力學1參考教材R.M.瓊斯：復(fù)合材料力學（中、英文）StephenW.Tasi：復(fù)合材料設(shè)計王震鳴：復(fù)合材料力學與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學李順林：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法J.R.Vinson:TheBehaviorofStructuresComposedofCompositeMaterials參考教材R.M.瓊斯：復(fù)合材料力學（中、英文）2復(fù)合材料力學與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學復(fù)合材料力學研究復(fù)合材料的微觀和宏觀力學特性、包括剛度、強度、破壞機理、斷裂、疲勞、沖擊、損傷、應(yīng)力集中、邊界效應(yīng)、環(huán)境響應(yīng)和力學測試等力學問題。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學：研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定和振動等問題復(fù)合材料力學與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學復(fù)合材料力學3相關(guān)課程之間關(guān)系復(fù)合材料學復(fù)合材料力學復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法材料力學彈性力學復(fù)合材料動力學非線性復(fù)合材料力學柔性復(fù)合材料力學編織復(fù)合材料力學相關(guān)課程之間關(guān)系復(fù)合材料學復(fù)合材料力學復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學復(fù)合材4主要授課內(nèi)容緒論、復(fù)合材料簡介及其基本力學性能宇航典型復(fù)合材料與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學的一般理論各向異性材料的本構(gòu)關(guān)系及簡單層板宏觀力學性能復(fù)合材料簡單層板剛度與強度的微觀力學分析方法層合板宏觀力學性能的分析方法（剛度與強度）層合板的彎曲、屈曲與振動分析復(fù)合材料力學分析的常用軟件復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)在工程分析中應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的有限元解法課堂討論、上機實習、考試主要授課內(nèi)容緒論、復(fù)合材料簡介及其基本力學性能5緒論——復(fù)合材料簡介復(fù)合材料是指由兩種以上材料組合而成的、物理和化學性質(zhì)與原材料不同、但又保持某些有效功能的新材料。復(fù)合材料中，一種材料作為基體，其他材料作為增強劑兩種以上材料宏觀尺度上的組合微觀尺度上的組合（合金）具有各組分最好的性能，是個組分所沒有的復(fù)合材料是材料家族中最年輕、最活躍的新成員。所謂“復(fù)合”，是在金屬材料、有機高分子材料和無機非金屬材料自身或相互間進行，從而獲得單一材料無法比擬的、具有綜合優(yōu)異性能的新型材料緒論——復(fù)合材料簡介復(fù)合材料6緒論——復(fù)合材料簡介Compositesaremadefromtwoormoredistinctmaterialsthatwhencombinedarebetter(stronger,tougher,and/ormoredurable)thaneachwouldbeseparately.Compoistesareconsideredascombinationsofmaterialelementswhichdifferincompositionorformonamacroscopiclevelwithrespecttoeachother.Theindividualfibrousconstituentelementscanbeman-made,aregenerallyinsoluble,retaintheiridentitieswithinthecompositeandmaybecontinuousordiscontinuous緒論——復(fù)合材料簡介Compositesaremade7復(fù)合材料的發(fā)展歷程復(fù)合材料的發(fā)展，經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代三個階段自古以來，人們就會使用天然的復(fù)合材料——木材、竹、骨骼等。最原始的人造復(fù)合材料是在粘土泥漿中摻稻草，制成土磚；在灰泥中摻馬鬃或在熟石膏里加紙漿，可制成纖維增強復(fù)合材料近代復(fù)合材料最早的有玻璃纖維增強樹脂（如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等）——玻璃鋼。原子能、航空、航天、電子、化工等的發(fā)展，對材料的輕質(zhì)、高強、高模、高韌性、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、電性能等提出了更高要求，使現(xiàn)代先進復(fù)合材料蓬勃發(fā)展起來——高性能纖維和其他各種形式的復(fù)合材料復(fù)合材料的發(fā)展歷程復(fù)合材料的發(fā)展，經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代三個8示例：天然復(fù)合材料AnExampleofaNaturalCompositeAtreeisagoodexampleofanaturalcomposite,consistingofcellulose(thefibrousmaterial)andlignin(anaturalpolymer)formingthewoodycellwallsandthecementing(reinforcing)materialbetweenthem.示例：天然復(fù)合材料AnExampleofaNatur9復(fù)合材料的特點及應(yīng)用復(fù)合材料具有高比強度、高比剛度、材料輕、耐腐蝕、抗疲勞性能、減振性能和高溫性能好意即可設(shè)計等特點它最早應(yīng)用于國防、航空、航天等尖端科學技術(shù)領(lǐng)域，近年來，汽車、造船、建筑、化工石油、體育用品、生物、醫(yī)療、娛樂等部門也推廣使用復(fù)合材料全復(fù)合材料汽車——汽油之后的變革高性能體育器械-網(wǎng)球、棒球、高爾夫球、賽車、滑雪、魚桿（光威）人造器官輸油管道、儲罐、壓力容器等復(fù)合材料的特點及應(yīng)用復(fù)合材料具有高比強度、高比剛度、材料輕、10復(fù)合材料力學課件11復(fù)合材料力學課件12復(fù)合材料力學課件13復(fù)合材料力學課件14復(fù)合材料的制備傳統(tǒng)意義上的復(fù)合材料的制造，目前使用最廣、效果最好的是纖維增強：采用熔鑄、浸漬、層壓等方法，把玻璃纖維、有機纖維、碳纖維及其織物嵌入樹脂基體中；采用熔鑄、軋壓等方法把硼纖維、高強度鋼絲、晶須等嵌入鋁、鎂、鈦合金中這樣形成了纖維增強塑料、纖維增強金屬和纖維增強陶瓷。除了纖維增強以外，還廣泛使用已有工藝制造復(fù)合材料，如噴涂、離子注入、層疊及骨架復(fù)合等復(fù)合材料的制備傳統(tǒng)意義上的復(fù)合材料的制造，目前使用最廣、效果15HandLayupVacuumBag/AutoclaveMatchedDie/MoldingFilamentWindingPressure&RollBondingPlasmaSprayingTechniquesPowderMetallurgyLiquidInfiltrationCoextrusionControlledSolidificationRotationalMoldingPultrusionInjectionMoldingCentrifugalCastingSheetMoldingCompoundPneumaticImpaction復(fù)合材料的制備HandLayupCoextrusion復(fù)合材料的制備16復(fù)合材料力學課件17復(fù)合材料力學課件18復(fù)合材料的分類復(fù)合材料包括三要素：基體材料、增強劑及復(fù)合方式（界面結(jié)合形式）按增強劑形狀不同，可分為顆粒、連續(xù)纖維、短纖維、彌散晶須、層狀、骨架或網(wǎng)狀、編織體增強復(fù)合材料等按使用功能不同，可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料等按照基體材料的不同，復(fù)合材料包括聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等熱固性、熱塑性碳碳復(fù)合材料小知識RMC:ResinMatrixCompositesMMC:MetalMatrixCompositesCMC:CeramicMatrixComposites復(fù)合材料的分類復(fù)合材料包括三要素：基體材料、增強劑及復(fù)合方式19先進復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料先進復(fù)合材料20復(fù)合材料力學課件21增強纖維與基體增強纖維玻璃纖維、碳纖維、聚芳酰胺纖維（Kevlar、Apmoc)、硼纖維、碳化硅纖維樹脂基體熱固性聚合物聚酯、環(huán)氧、酚醛、聚酰亞胺熱塑性聚合物尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯增強纖維與基體增強纖維22增強纖維與基體的作用與貢獻在RMC中，增強材料是決定復(fù)合材料的拉伸強度、模量、延伸率的關(guān)鍵組分，增強纖維的種類、機械性能核物理特征，在即體重的體積含量及纖維的取向決定了復(fù)合材料的性質(zhì)樹脂基體則是粘接并包容纖維，使纖維免受摩擦損傷，均衡和傳遞構(gòu)件所承受的載荷的主要組分，樹脂基體的種類、物理特性和化學特性決定了復(fù)合材料的剪切強度、橫向拉伸強度（非纖維方向）、壓縮強度、耐化學腐蝕等性質(zhì)）增強纖維與基體的作用與貢獻在RMC中，增強材料是決定復(fù)合材料23復(fù)合材料的性能疲勞壽命與溫度有關(guān)的性能絕熱性導(dǎo)熱性隔音性強度剛度耐腐蝕性耐磨性重量復(fù)合材料的性能疲勞壽命強度24示例：材料的比強度與比剛度圖不同材料比強度與工作溫度關(guān)系圖幾種高溫材料的比強度比強度值越大，表明越輕質(zhì)高強，在金屬中，比強度值不能突破4X104cm示例：材料的比強度與比剛度圖不同材料比強度與工作溫度關(guān)系圖25復(fù)合材料的力學性能普通的工程材料大多是均勻的、各向同性的均質(zhì)：性能不是物體位置的函數(shù)各向同性：物體的性能在物體內(nèi)的一點的每個方向都是相同的，性能不是一點方向上的函數(shù)復(fù)合材料一般表現(xiàn)為非均質(zhì)和各向異性的，材料性能是位置和方向的函數(shù)正交各向異性：在物體重的一點的三個相互垂直方向上有不同的材料性能，此外還有三個相互垂直的材料對稱面各向異性：所有方向都有不同的性能，沒有材料對稱面復(fù)合材料的力學性能普通的工程材料大多是均勻的、各向同性的26從微細觀和宏觀兩個角度研究微觀力學從微觀的角度檢驗組份材料之間相互影響研究復(fù)合材料的性能宏觀力學假設(shè)材料是均質(zhì)的，只從復(fù)合材料的平均表觀性質(zhì)來檢驗組份材料的作用細觀力學方法固體力學與材料科學之間的交叉科學，從材料的細觀結(jié)構(gòu)入手，研究其與材料力學性能的關(guān)系用連續(xù)介質(zhì)力學研究材料的細觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)系從微細觀和宏觀兩個角度研究微觀力學27材料與力學材料學：從材料的物理、化學性質(zhì)、材料工藝、結(jié)構(gòu)、組分的角度固體力學：結(jié)構(gòu)受力分析與材料的力學性能示例：材料中的缺陷問題嚴重影響材料的強度等性能，纖維比塊狀結(jié)構(gòu)材料有更加完整的結(jié)構(gòu)，晶體在纖維中沿著纖維軸向定位，內(nèi)部缺陷少，有更高的強度材料與力學材料學：從材料的物理、化學性質(zhì)、材料工藝、結(jié)構(gòu)、組28復(fù)合材料的可設(shè)計性材料與結(jié)構(gòu)不可分根據(jù)我們的需求設(shè)計材料和結(jié)構(gòu)在我們所需要的方向上具有足夠的強度和剛度，其他方向上不需要，消除材料冗余，提高材料效率Anisotropicelasticity

Anin-depthdiscussionoftheimportantdifferencesbetweencompositesandconventionalmonolithicmaterialstypesisdiscussedintermsofdevelopingtheconceptsassociatedwithdirectionalmaterialproperties.復(fù)合材料的可設(shè)計性材料與結(jié)構(gòu)不可分Anisotropice29復(fù)合材料力學的材料力學、彈性力學基礎(chǔ)理論量綱基本量：長度、時間、力、質(zhì)量量綱相同無量綱化復(fù)合材料力學的材料力學、彈性力學基礎(chǔ)理論量綱30應(yīng)力和應(yīng)變截面積為S，載荷為P，單位面積的力為：應(yīng)力原長為L，伸長量為，延伸率為：應(yīng)變在小載荷范圍內(nèi)，有虎克定律：彈性模量材料斷裂時的應(yīng)力為材料強度應(yīng)力和應(yīng)變截面積為S，載荷為P，單位面積的力為：應(yīng)力原長為L31應(yīng)力和應(yīng)變PPPPN’NPNTN,N’為內(nèi)力，等于P對于與軸向成角的截面正應(yīng)力剪應(yīng)力剪切應(yīng)變剪切彈性常數(shù)泊松比應(yīng)力和應(yīng)變PPPPN’NPNTN,N’為內(nèi)力，等于P正應(yīng)力剪32復(fù)合材料力學復(fù)合材料力學33參考教材R.M.瓊斯：復(fù)合材料力學（中、英文）StephenW.Tasi：復(fù)合材料設(shè)計王震鳴：復(fù)合材料力學與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學李順林：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法J.R.Vinson:TheBehaviorofStructuresComposedofCompositeMaterials參考教材R.M.瓊斯：復(fù)合材料力學（中、英文）34復(fù)合材料力學與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學復(fù)合材料力學研究復(fù)合材料的微觀和宏觀力學特性、包括剛度、強度、破壞機理、斷裂、疲勞、沖擊、損傷、應(yīng)力集中、邊界效應(yīng)、環(huán)境響應(yīng)和力學測試等力學問題。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學：研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形、穩(wěn)定和振動等問題復(fù)合材料力學與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學復(fù)合材料力學35相關(guān)課程之間關(guān)系復(fù)合材料學復(fù)合材料力學復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方法材料力學彈性力學復(fù)合材料動力學非線性復(fù)合材料力學柔性復(fù)合材料力學編織復(fù)合材料力學相關(guān)課程之間關(guān)系復(fù)合材料學復(fù)合材料力學復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學復(fù)合材36主要授課內(nèi)容緒論、復(fù)合材料簡介及其基本力學性能宇航典型復(fù)合材料與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料力學的一般理論各向異性材料的本構(gòu)關(guān)系及簡單層板宏觀力學性能復(fù)合材料簡單層板剛度與強度的微觀力學分析方法層合板宏觀力學性能的分析方法（剛度與強度）層合板的彎曲、屈曲與振動分析復(fù)合材料力學分析的常用軟件復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)在工程分析中應(yīng)用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的有限元解法課堂討論、上機實習、考試主要授課內(nèi)容緒論、復(fù)合材料簡介及其基本力學性能37緒論——復(fù)合材料簡介復(fù)合材料是指由兩種以上材料組合而成的、物理和化學性質(zhì)與原材料不同、但又保持某些有效功能的新材料。復(fù)合材料中，一種材料作為基體，其他材料作為增強劑兩種以上材料宏觀尺度上的組合微觀尺度上的組合（合金）具有各組分最好的性能，是個組分所沒有的復(fù)合材料是材料家族中最年輕、最活躍的新成員。所謂“復(fù)合”，是在金屬材料、有機高分子材料和無機非金屬材料自身或相互間進行，從而獲得單一材料無法比擬的、具有綜合優(yōu)異性能的新型材料緒論——復(fù)合材料簡介復(fù)合材料38緒論——復(fù)合材料簡介Compositesaremadefromtwoormoredistinctmaterialsthatwhencombinedarebetter(stronger,tougher,and/ormoredurable)thaneachwouldbeseparately.Compoistesareconsideredascombinationsofmaterialelementswhichdifferincompositionorformonamacroscopiclevelwithrespecttoeachother.Theindividualfibrousconstituentelementscanbeman-made,aregenerallyinsoluble,retaintheiridentitieswithinthecompositeandmaybecontinuousordiscontinuous緒論——復(fù)合材料簡介Compositesaremade39復(fù)合材料的發(fā)展歷程復(fù)合材料的發(fā)展，經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代三個階段自古以來，人們就會使用天然的復(fù)合材料——木材、竹、骨骼等。最原始的人造復(fù)合材料是在粘土泥漿中摻稻草，制成土磚；在灰泥中摻馬鬃或在熟石膏里加紙漿，可制成纖維增強復(fù)合材料近代復(fù)合材料最早的有玻璃纖維增強樹脂（如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等）——玻璃鋼。原子能、航空、航天、電子、化工等的發(fā)展，對材料的輕質(zhì)、高強、高模、高韌性、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、電性能等提出了更高要求，使現(xiàn)代先進復(fù)合材料蓬勃發(fā)展起來——高性能纖維和其他各種形式的復(fù)合材料復(fù)合材料的發(fā)展歷程復(fù)合材料的發(fā)展，經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代三個40示例：天然復(fù)合材料AnExampleofaNaturalCompositeAtreeisagoodexampleofanaturalcomposite,consistingofcellulose(thefibrousmaterial)andlignin(anaturalpolymer)formingthewoodycellwallsandthecementing(reinforcing)materialbetweenthem.示例：天然復(fù)合材料AnExampleofaNatur41復(fù)合材料的特點及應(yīng)用復(fù)合材料具有高比強度、高比剛度、材料輕、耐腐蝕、抗疲勞性能、減振性能和高溫性能好意即可設(shè)計等特點它最早應(yīng)用于國防、航空、航天等尖端科學技術(shù)領(lǐng)域，近年來，汽車、造船、建筑、化工石油、體育用品、生物、醫(yī)療、娛樂等部門也推廣使用復(fù)合材料全復(fù)合材料汽車——汽油之后的變革高性能體育器械-網(wǎng)球、棒球、高爾夫球、賽車、滑雪、魚桿（光威）人造器官輸油管道、儲罐、壓力容器等復(fù)合材料的特點及應(yīng)用復(fù)合材料具有高比強度、高比剛度、材料輕、42復(fù)合材料力學課件43復(fù)合材料力學課件44復(fù)合材料力學課件45復(fù)合材料力學課件46復(fù)合材料的制備傳統(tǒng)意義上的復(fù)合材料的制造，目前使用最廣、效果最好的是纖維增強：采用熔鑄、浸漬、層壓等方法，把玻璃纖維、有機纖維、碳纖維及其織物嵌入樹脂基體中；采用熔鑄、軋壓等方法把硼纖維、高強度鋼絲、晶須等嵌入鋁、鎂、鈦合金中這樣形成了纖維增強塑料、纖維增強金屬和纖維增強陶瓷。除了纖維增強以外，還廣泛使用已有工藝制造復(fù)合材料，如噴涂、離子注入、層疊及骨架復(fù)合等復(fù)合材料的制備傳統(tǒng)意義上的復(fù)合材料的制造，目前使用最廣、效果47HandLayupVacuumBag/AutoclaveMatchedDie/MoldingFilamentWindingPressure&RollBondingPlasmaSprayingTechniquesPowderMetallurgyLiquidInfiltrationCoextrusionControlledSolidificationRotationalMoldingPultrusionInjectionMoldingCentrifugalCastingSheetMoldingCompoundPneumaticImpaction復(fù)合材料的制備HandLayupCoextrusion復(fù)合材料的制備48復(fù)合材料力學課件49復(fù)合材料力學課件50復(fù)合材料的分類復(fù)合材料包括三要素：基體材料、增強劑及復(fù)合方式（界面結(jié)合形式）按增強劑形狀不同，可分為顆粒、連續(xù)纖維、短纖維、彌散晶須、層狀、骨架或網(wǎng)狀、編織體增強復(fù)合材料等按使用功能不同，可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料等按照基體材料的不同，復(fù)合材料包括聚合物基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等熱固性、熱塑性碳碳復(fù)合材料小知識RMC:ResinMatrixCompositesMMC:MetalMatrixCompositesCMC:CeramicMatrixComposites復(fù)合材料的分類復(fù)合材料包括三要素：基體材料、增強劑及復(fù)合方式51先進復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料碳/碳復(fù)合材料先進復(fù)合材料52復(fù)合材料力學課件53增強纖維與基體增強纖維玻璃纖維、碳纖維、聚芳酰胺纖維（Kevlar、Apmoc)、硼纖維、碳化硅纖維樹脂基體熱固性聚合物聚酯、環(huán)氧、酚醛、聚酰亞胺熱塑性聚合物尼龍、聚乙烯、聚苯乙烯增強纖維與基體增強纖維54增強纖維與基體的作用與貢獻在RMC中，增強材料是決定復(fù)合材料的拉伸強度、模量、延伸率的關(guān)鍵組分，增強纖維的種類、機械性能核物理特征，在即體重的體積含量及纖維的取向決定了復(fù)合材料的性質(zhì)樹脂基體則是粘接并包容纖維，使纖維免受摩擦損傷，均衡和傳遞構(gòu)件所承受的載荷的主要組分，樹脂基體的種類、物理特性和化學特性決定了復(fù)合材料的剪切強度、橫向拉伸強度（非纖維方向）、壓縮強度、耐化學腐蝕等性質(zhì)）增強纖維與基體的作用與貢獻在RMC中，增強材料是決定復(fù)合材料55復(fù)合材料的性能疲勞壽命與溫度有關(guān)的性能絕熱性導(dǎo)熱性隔音性強度剛度耐腐蝕性耐磨性重量復(fù)合材料的性能疲勞壽命強度56示例：材料的比強度與比剛度圖不同材料比強度與工作溫度關(guān)系圖幾種高溫材料的比強度比強度值越大，表明越輕質(zhì)高強，在金屬中，比強度值不能突破4X104cm示例：材料的比強度與比剛度圖不同材料比強度與工作溫度關(guān)系圖57復(fù)合材料的力學性能普通的工程材料大多是均勻的、各向同性的均質(zhì)：性能不是物體位置的函數(shù)各向同性：物體的性能在物體內(nèi)的一點的每個方向都是相同的，性能不是一點方向上的函數(shù)復(fù)合材料一般表現(xiàn)為非均質(zhì)和各向異性的，材料性能是位置和方向的函數(shù)正交各向異性：在物體重的一點的三個相互垂直方向上有不同的材料性能，此外還有三個相互垂直的材料對稱面各向異性：所有方向都有不同的性能，沒有材料對稱面復(fù)合材料的力學性能普通的工程