8/28/2019,1,复合材料力学,主讲：宫能平 教 授,8/28/2019,2,课程简介 目的 内容 考核 参考书,目的： （1）了解复合材料的性能特点及其影响因素， （2）复合材料性能设计的基本方法， （3）掌握对复合材料及其典型结构进行力学 分析的基本原理和方法。,8/28/2019,3,课程简介 目的 内容 考核 参考书,内容： 复合材料力学：包括细观力学和层合板理论，以及静力、动力和稳定分析及结构优化设计（典型结构设计）。,8/28/2019,4,课程简介 目的 内容 考核 参考书,内容： 第一章 引言 第二章 应力应变关系 第三章 单向板的刚度分析 第四章 层合板的刚度分析 第五章 复合材料的强度 第六章 复合材料的细观力学 第七章 复合材料一维受力构件分析 第八章 复合材料梁分析 第九章 复合材料板分析 第十章 复合材料壳分析 第十一章 复合材料结构设计 第十二章 复合材料连接设计,8/28/2019,5,课程简介 目的 内容 考核 参考书,考核：平时成绩加上最后的测试,8/28/2019,6,课程简介 目的 内容 考核 参考书,参考书： （1）复合材料力学分析与设计，王兴业等 编著，1999， （2）Theory of Composites Design， S. W. Tsai，1993， （3）复合材料结构力学，蔡四维编著，1997。,8/28/2019,7,第一章 引 言,8/28/2019,8,第一章 引言,1.1 基本概念 一、复合材料工程结构设计过程：,1）等代设计 或者称直接替换法：将复合材料简单地代替常规材料，用与常规材料构件相同的结构形式、尺寸、形状和连接方法来制作复合材料构件，设计时的载荷条件、安全系数、计算方法均完全套用常规材料的规范。由于复合材料高比强度、高比模量，各向异性的特殊性能而不合理。,2）网络分析：认为在纤维增强复合材料中，只有纤维在沿纤维方向提供承载能力，在分析中完全忽略基体的作用。其适用于纤维缠绕成型的内压容器固体火箭发动机的壳体。,8/28/2019,9,3）局部增强的混合结构：是在常规材料所组成的结构的关键部位增用一些复合材料。如在加筋件的凸缘上采用单向纤维复合材料，形成混合结构。,复合材料是一种性能可设计的材料：复合材料显著区别于常规材料的地方是，它是一种性能可设计的材料，因而它赋予结构设计者的自由度要大得多。,8/28/2019,10,二、复合材料:,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，是单个组分所没有的 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（大飞机制造）,8/28/2019,11,三、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,8/28/2019,12,四、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,8/28/2019,13,五、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 人造器官 输油管道、储罐、压力容器等,8/28/2019,14,六、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,8/28/2019,15,七、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,8/28/2019,16,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,8/28/2019,17,八、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)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,8/28/2019,18,九、增强纤维与基体的作用与贡献,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、机械性能和物理特征，以及增强材料的体积含量、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）,8/28/2019,19,十、复合材料的性能包括,强度 刚度 耐腐蚀性 耐磨性 重量,疲劳寿命 与温度有关的性能 绝热性 导热性 隔音性,8/28/2019,20,十一、复合材料特性：,复合材料是非均质和各向异性的。,非均质物质在各处有不同的性能， 即物体的性能随物体内位置的改变而变化。,各向异性在物体内一点的各方向上表现有不同的性能。 一般都是正交各向异性,8/28/2019,21,第一章 引言,1.2复合材料力学性能的特点：,一、复合材料是一种结构；,层合板和复合材料结构件一次完成连续纤维增强聚合物复合材料是由纤维和聚合物两种组分材料组成，两者之间有明显的界面，实际上是一种结构。如以层合的形式制成，就是一种层合结构,8/28/2019,22,二、比强度、比模量高；,常见几种材料的比强度和比模量,8/28/2019,23,第一章 引言,1.2复合材料力学性能的特点：,三、具有可设计性；,四、力学性能有别于传统材料的一些特点。,组分种类、含量，铺层方向和顺序,四个工程弹性常数：拉伸模量EL、压缩模量ET、泊松比LT、剪切模量GLT 五个基本强度参数：纵向拉伸强度XT、纵向压缩强度XC、横向拉伸强度YT、横向压缩强度YC、剪切强度S 拉剪耦合，弯扭耦合，拉弯耦合效应,8/28/2019,24,第一章 引言,1.2复合材料结构设计特点,结构设计： 在给定的载荷条件和安全系数下，确定结构而完成某一或某些功能所必须的合理形状或尺寸。,：屈服强度； K：安全系数； P：外加载荷； A：横截面积。,各向同性材料,8/28/2019,25,第一章 引言,1.2 复合材料结构设计特点,均质材料结构设计流程：,8/28/2019,26,：屈服强度； K：安全系数； P：外加载荷； A：横截面积。,各向异性材料,第一章 引言,1.2 复合材料结构设计特点,8/28/2019,27,第一章 引言,1.2 复合材料结构设计特点,： 纵向应力； ： 环向应力； p ： 内压； D：直径； h：厚度。,8/28/2019,28,第一章 引言,1.2 复合材料结构设计特点,复合材料结构设计流程：,8/28/2019,29,第一章 引言,1.2 复合材料结构设计特点,一、材料性能的各向异性；,二、材料性能可设计性；,三、环境因素(湿、热)的影响必须考虑。,8/28/2019,30,第一章 引言,1.3 复合材料力学分析的基本假设,一、层合板是连续的；,二、单向板是均匀的；,三、单向板是正交各向异性的；,四、层合板是线弹性的；,五、层合板的变形是很小的。,8/28/2019,31,第一章 引言,1.4 本课程的主要任务 复合材料的性能特性 结构分析基础 典型构件受力和变形分析,1.5 处理方法 复合材料力学、 结构分析基础 建立各种材料体系的本构关系及控制方程,