复合材料力学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,复 合 材 料 力 学,课程设置,授课方式：集中上课、自学、课程设计,学时：40,学分：2,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,时间安排：,参考教材,R.M.琼斯：复合材料力学（中、英文）,Stephen W.Tasi：复合材料设计,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,J.R.Vinson:The 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,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、损伤、应力集中、边界效应、环境响应和力学测试等力学问题。,复合材料结构力学,：,研究复合材料结构的应力、变形、稳定和振动等问题,相关课程之间关系,复合材料学,复合材料力学,复合材料结构力学,复合材料结构设计方法,材料力学,弹性力学,复合材料动力学,非线性复合材料力学,柔性复合材料力学,编织复合材料力学,主要授课内容,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,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,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,课堂讨论、上机实习、考试,绪论复合材料简介,复合材料,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,两种以上材料,宏观尺度上的组合,微观尺度上的组合（合金）,具有各组分最好的性能，是个组分所没有,的,复合材料是材料家族中最年轻、最活跃的新成员。所谓“复合”，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法比拟的、具有综合优异性能的新型材料,绪论复合材料简介,Composites are made from two or more distinct materials that when bined are better(stronger,tougher,and/or more durable)than each would be separately.,Compoistes are considered as binations of material elements which differ in position 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 posite and may be continuous or discontinuous,复合材料的发展历程,复合材料的发展，经历了古代、近代和现代三个阶段,自古以来，人们就会使用天然的复合材料木材、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纸浆，可制成纤维增强复合材料,近代复合材料最早的有,玻璃纤维增强树脂,（如酚醛树脂、环氧树脂等）玻璃钢。,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、耐腐蚀、电性能等提出了更高要求，使现代,先进复合材料,蓬勃发展起来,高性能纤维,和其他各种形式的复合材料,示例：天然复合材料,An Example of a Natural Composite,A tree is a good example of a natural posite,consisting of cellulose(the fibrous material)and lignin(a natural polymer)forming the woody cell walls and the cementing(reinforcing)material between them.,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、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,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、化工石油、体育用品、生物、医疗、娱乐等部门也推广使用复合材料,全复合材料汽车汽油之后的变革,高性能体育器械-网球、棒球、高尔夫球、赛车、滑雪、鱼杆（光威）,人造器官,输油管道、储罐、压力容器等,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、效果最好的是纤维增强：,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；,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,这样形成了纤维增强塑料、纤维增强金属和纤维增强陶瓷。,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,Hand,Layup,Vacuum Bag/Autoclave,Matched Die/Molding,Filament Winding,Pressure&Roll Bonding,Plasma Spraying Techniques,Powder Metallurgy,Liquid Infiltration,Coextrusion,Controlled Solidification,Rotational Molding,Pultrusion,Injection Molding,Centrifugal Casting,Sheet Molding Compound,Pneumatic Impaction,复合材料的制备,复合材料的分类,复合材料包括三要素：基体材料、增强剂及复合方式（界面结合形式）,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、编织体增强复合材料等,按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复合材料等,按照基体材料的不同，复合材料包括,聚合物基复合材料,、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等,热固性、热塑性,碳碳复合材料,小知识,RMC:Resin Matrix Composites,MMC:Metal Matrix Composites,CMC:Ceramic Matrix Composites,先进复合材料,树脂基复合材料,金属基复合材料,陶瓷基复合材料,碳,/,碳复合材料,增强纤维与基体,增强纤维,玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维（Kevlar、Apmoc)、硼纤维、碳化硅纤维,树脂基体,热固性聚合物,聚酯、环氧、酚醛、聚酰亚胺,热塑性聚合物,尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯,增强纤维与基体的作用与贡献,在RMC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,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（非纤维方向）、压缩强度、耐化学腐蚀等性质）,复合材料的性能,疲劳寿命,与温度有关的性能,绝热性,导热性,隔音性,强度,刚度,耐腐蚀性,耐磨性,重量,示例：材料的比强度与比刚度,图 不同材料比强度与工作温度关系,图 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4X10,4,cm,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,均质：性能不是物体位置的函数,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,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,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,材料对称面,各向异性：所有方向都有不同的性能，没有材料对称面,从微细观和宏观两个角度研究,微观力学,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,宏观力学,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,细观力学方法,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,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,材料学：从材料的物理、化学性质、材料工艺、结构、组分的角度,固体力学：结构受力分析与材料的力学性能,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,复合材料的可设计性,材料与结构不可分,根据我们的需求设计材料和结构,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，提高材料效率,Anisotropic elasticity,An in-depth discussion of the important differences between posites and conventional monolithic materials types is discussed in terms of developing the concepts associated with directional material properties.,复合材料力学的材料力学、弹性力学基础理论,量纲,基本量：长度、时间、力、质量,量纲相同,无量纲化,应力和应变,截面积为S，载荷为P，单位面积的力为：,应力,原长为L，伸长量为,，,延伸率为：,应变,在小载荷范围内，有虎克定律：,弹性模量,材料断裂时的应力为材料强度,应力和应变,P,P,P,P,N,N,P,N,T,N,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,