復(fù)合材料力學基礎(chǔ)

材料力學(MaterialMechanics)16復(fù)合材料力學基礎(chǔ)2===============★===============================================16.1概述16.2復(fù)合材料的種類16.3合材料的構(gòu)造及制法16.4復(fù)合材料力學分析的基本假設(shè)和方法16.5復(fù)合材料的力學性能16.6復(fù)合材料的各種應(yīng)用16.7各向異性彈性力學基本方程16.8各向異性彈性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系16.9正交各向異性材料的工程彈性常數(shù)

3

復(fù)合材料是由兩種或多種不同性質(zhì)的材料用物理或化學方法制成的具有新性能的材料，一般復(fù)合材料的性能優(yōu)于其組分材料的性能，并且有些性能是原來組分下列材料所沒有的，復(fù)合材料可能改善組分材料的剛度、強度、熱學等性能?，F(xiàn)在復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于各種工程和日常生活，例如膠合板、鋼筋混凝土、夾布橡膠輪胎、玻璃鋼等。復(fù)合材料的力學性能比一般金屬材料復(fù)雜得多，主要有不均勻、各向異性、不連續(xù)等，因此逐步發(fā)展成為復(fù)合材料特有的力學理論，稱為復(fù)合材料力學，它是固體力學學科中的一個新分支。

16.1概述4

16.2復(fù)合材料的種類

顆粒復(fù)合材料

層合復(fù)合材料

纖維增強復(fù)合材料

16.2.1復(fù)合材料的種類5

1.玻璃纖維2.硼纖維3.碳纖維4.芳綸纖維5.碳化硅纖維及氧化鋁纖維

16.2.2幾種常用纖維61.樹脂基體2.金屬基體3.陶瓷基體4.碳素基體

16.2.3幾種常用基體7（a）單層纖維

單層復(fù)合材料（b）交織纖維

圖16.1單層復(fù)合材料構(gòu)造形成

16.3合材料的構(gòu)造及制法16.3.1復(fù)合材料的基本形式8圖16.2疊層材料構(gòu)造形式舉例

疊層復(fù)合材料91.玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料

將環(huán)氧樹脂基體浸漬玻璃纖維經(jīng)烘干形成半成品材料—預(yù)浸料，再通過不同成型方法得到各種制品，其中有手糊方法、噴射成型、纏繞方法、層壓方法等。16.3.2復(fù)合材料的制造方法2.碳纖維增強金屬基復(fù)合材料

一般制造方法有擴散結(jié)合法、熔融金屬滲透法、連續(xù)鑄造法、等離子噴涂法等。103.單向短纖維復(fù)合材料

將短切纖維懸浮在甘油中不停的攪動，加壓迫使懸浮物經(jīng)過一收斂渠道，纖維走向與流向相同，將含纖維液膜沉積到一細眼篩上快速過濾去掉甘油，這樣形成了定向纖維氈，然后再加樹脂并模壓成短纖維復(fù)合材料。111.層合板是連續(xù)的2.單向板是均勻的3.單向板是正交各向異性的4.層合板是線彈性的5.層合板的變形是很小的

16.4復(fù)合材料力學分析的基本假設(shè)和方法

16.4.1基本假設(shè)

12它從細觀角度分析組分材料之間的相互影響來研究復(fù)合材料的力學性能。

它從材料是均勻的假定出發(fā)，只從復(fù)合材料平均表觀性能檢驗組分材料的作用來研究復(fù)合材料的宏觀力學性能。

16.4.2細觀力學16.4.3宏觀力學13它從更粗略的角度來分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學性能，把疊層材料作為分析問題的起點，疊層材料的力學性能可由上述宏觀力學方法求出，或為了簡便和可靠可用實驗方法直接求出。16.4.4復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學

1416.5復(fù)合材料的力學性能16.5.1纖維增強復(fù)合材料的重要力學性能1.玻璃纖維增強復(fù)合材料特點是比強度高，耐腐蝕、電絕緣、易制造、成本低，缺點是比模量較低。2.碳纖維復(fù)合材料有很高的比強度和比模量，耐高溫、耐疲勞、熱穩(wěn)定性好。3.芳綸纖維增強復(fù)合材料是一種新的復(fù)合材料，它有較高的比強度和比模量。15

比強度高，尤其是高強碳纖維、芳綸纖維復(fù)合材料。

比模量高，除玻璃纖維環(huán)氧外其余復(fù)合材料比模量值比金屬高很多，特別是高模量碳纖維復(fù)合材料最為突出。

材料具有可設(shè)計性，這是復(fù)合材料與金屬材料很大的不同點，復(fù)合材料的性能除了決定纖維和基體材料本身的性能外，還決定于纖維的含量和鋪設(shè)方式。16.5.2復(fù)合材料的優(yōu)點16

材料各向異性嚴重，垂直于纖維方向的性能主要取決于基本材料性能和基體與纖維間的結(jié)合能力。因此一般性能較低，特別是層間剪切強度很低。

材料性能的分散度較大，質(zhì)量控制和檢測較困難。

材料成本較高，目前硼纖維復(fù)合材料最貴，碳纖維及金屬基復(fù)合材料比金屬成本高很多。

有些復(fù)合材料韌性較差，機械連接較困難。16.5.3復(fù)合材料的缺點1716.6復(fù)合材料的各種應(yīng)用16.6.1航空、航天工程應(yīng)用

航空工程

國內(nèi)外已應(yīng)用于飛機發(fā)動機、機身、機翼、駕駛艙、螺旋槳、雷達罩、機翼表面整流裝置、直升飛機旋翼槳葉、客機前后翼身整流罩、主起落架艙門等。

航天工程

減輕發(fā)動機的重量等。

18

制造玻璃鋼船，制造復(fù)合材料游艇和漁船。用混雜復(fù)合材料制造高速艦艇16.6.2船舶工程中的應(yīng)用16.6.3建筑工程中的應(yīng)用大型體育館、廠房、市場等薄殼結(jié)構(gòu)，各種建筑，引水渡槽、橋梁附加水管導(dǎo)槽等建筑設(shè)施。16.6.4兵器工業(yè)中的應(yīng)用

1.坦克裝甲上應(yīng)用2.武器裝備上應(yīng)用19采用復(fù)合材料替代金屬可減少腐蝕延長壽命16.6.5化學過程中應(yīng)用化工設(shè)備中采用樹脂基復(fù)合材料，其重量輕、維修容易、使用壽命長石油化工管道也有用玻璃鋼制造的，其重量輕、壽命長、成本低用纖維增強樹脂基復(fù)合材料制造汽車、火車罐車，罐體上的托架、入孔及附件全部只是纏繞過程中固定、一次整體成型

20

1.火車

2.汽車

3.自行車16.6.6車輛制造工業(yè)中應(yīng)用16.6.7電器設(shè)備中的應(yīng)用

1.強電設(shè)備

2.電子設(shè)備

3.家用電器2116.6.8體育器械中應(yīng)用1.滑雪板2.網(wǎng)球拍3.棒球棒4.高爾夫球棍5.其它22

1.假肢等

2.人造骨骼、關(guān)節(jié)等人體內(nèi)部材料

3.醫(yī)療設(shè)備16.6.9醫(yī)學領(lǐng)域中的應(yīng)用16.6.10在機械過程中的應(yīng)用

1.用于通用機械

2.用于模具23對于直角坐標系，三個正交平面上的應(yīng)力分量是：

其中，

16.7各向異性彈性力學基本方程24應(yīng)變張量可表示為:

25三個運動（或平衡）方程式:

式中zyx,,fff是單位體積的體積力分量，r是質(zhì)量密度，t是時間。26幾何關(guān)系（小變形）:

27變形協(xié)調(diào)方程:其中實際上有3個獨立關(guān)系式。28各向異性彈性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系（本構(gòu)關(guān)系）小變形時，應(yīng)力分量與應(yīng)變分量間有下列關(guān)系:式中稱為剛度系數(shù)。

以上15個方程，加上給定力的邊界條件和給定位移的邊界條件，可以確定應(yīng)力應(yīng)變和位移共15個未知量。同各向同性彈性力學基本方程相比，區(qū)別只在物理方程—應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

29圖16.4彈性對稱平面

圖16.5彈性對稱面中的剪應(yīng)力

16.8各向異性彈性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系16.8.1具有一個彈性對稱平面的材料3016.8.2正交各向異性材料具有兩個正交彈性對稱的材料一定對于和這兩個平面垂直的第三個平面具有對稱性，這種材料稱為正交各向異性材料，其剛度矩陣[C]如下

31

若經(jīng)過彈性體材料一軸線，在垂直該軸線的平面內(nèi)，各點的彈性性能在各方向上都相同，則此材料稱為橫觀各向同性材料，此平面叫各向同性面。

16.8.3橫觀各向同性材料圖16.6應(yīng)力轉(zhuǎn)軸32橫觀各向同性材料的柔度矩陣為33各向同性材料中每一點在任意方向上彈性特性都相同，則剛度、柔度系數(shù)分別有下列關(guān)系16.8.4各向同性材料34各向同性材料