復(fù)合材料力學(xué)ppt.ppt

1、復(fù)合材料力學(xué),第一部分 復(fù)合材料力學(xué)基礎(chǔ) 第一章 緒 論,理論力學(xué)、彈性力學(xué)、材料力學(xué) 運(yùn)動(dòng)、變形、受力 塑性變形、損傷失效 均質(zhì)、各向同性、線彈性 復(fù)合材料力學(xué)？ 復(fù)合材料？,金屬材料的高峰,四分天下,人類歷史上的材料應(yīng)用的四次重大突破 天然材料：新石器時(shí)代 人工材料：銅器和鐵器時(shí)代 合成材料：塑料、橡膠 復(fù)合材料：玻璃纖維,自然界中普遍存在著天然復(fù)合材料 樹木、骨骼、草莖與泥土復(fù)合等 天然材料幾乎都是復(fù)合材料，采取復(fù)合的形式是自然的規(guī)律,人類利用復(fù)合材料的歷史經(jīng)歷了古代、近代和現(xiàn)代三個(gè)階段 房屋、紙張 六千年以前，陜西西安半坡村的仰韶文化住房遺址說明我國古人已經(jīng)開始用草混在泥土中筑墻和鋪地

2、，這種草泥就是最原始的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，它與現(xiàn)代高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料非常相似 近現(xiàn)代逐步開始主動(dòng)利用復(fù)合材料的功能性 玻璃鋼、先進(jìn)復(fù)合材料,天然 復(fù)合材料,智能復(fù)合材料 仿生復(fù)合材料 功能復(fù)合材料 納米復(fù)合材料 生物復(fù)合材料 材料復(fù)合結(jié)構(gòu),先進(jìn)復(fù)合材料 樹脂基復(fù)合材料 陶瓷基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料 碳/碳復(fù)合材料,玻璃鋼,復(fù)合材料的內(nèi)涵不斷拓展 從宏觀尺度的復(fù)合到納米尺度的復(fù)合 從結(jié)構(gòu)材料到結(jié)構(gòu)功能一體化材料和多功能復(fù)合材料 從簡單復(fù)合到非線性復(fù)合效應(yīng)的復(fù)合 從復(fù)合材料到復(fù)合結(jié)構(gòu) 從機(jī)械設(shè)計(jì)到仿生設(shè)計(jì),復(fù)合材料的定義？,復(fù)合材料是指由有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬或金屬等幾類不同材料通過復(fù)合工藝組

3、合而成的新型材料，它既能保留原有組分材料的主要特色，又通過材料設(shè)計(jì)使各組分的性能互相補(bǔ)充并彼此關(guān)聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能，與一般材料的簡單混合有本質(zhì)的區(qū)別 （1994年出版，師昌緒主編材料大辭典） 由兩種以上材料組合而成的、物理和化學(xué)性質(zhì)與原材料不同、但又保持某些有效功能 一般一種材料作為基體，其他材料作為增強(qiáng)相 一定尺度上的組合,先進(jìn)復(fù)合材料（Advanced Composite Materials，簡稱ACM）是指加進(jìn)了新的高性能纖維的而區(qū)別于“低技術(shù)”的玻璃纖維增強(qiáng)塑料的復(fù)合材料 (美國麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系教授J. P. Clark，1985) 以碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、

4、硼纖維、芳綸纖維、高密度聚乙烯纖維等高性能增強(qiáng)材料，并使用高性能樹脂、金屬與陶瓷等為基體，制成的具有比玻璃纖維復(fù)合材料更好性能的先進(jìn)復(fù)合材料,“到2020年，只有復(fù)合材料才有潛力獲得20-25%的性能提升，其中陶瓷基和聚合物基復(fù)合材料的密度、剛度、強(qiáng)度、韌性和抗高溫能力都可能有如此大的改善，而被列為最優(yōu)先發(fā)展的材料”。 美國國防部委托國家科學(xué)研究院發(fā)表的“面向21世紀(jì)國防需求的材料研究”報(bào)告指出,復(fù)合材料包括三要素： 基體材料 增強(qiáng)相 復(fù)合方式（界面結(jié)合形式）,復(fù)合材料的分類 按增強(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料等 按照基體材料的不同，

5、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、碳/碳復(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,復(fù)合材料關(guān)注的性能 強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕性、疲勞壽命 與溫度有關(guān)的性能和絕熱性等 其它性能,復(fù)合材料的特點(diǎn),可設(shè)計(jì)性 材料與結(jié)構(gòu)的同一性 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中包含材料設(shè)計(jì) 材料性能對(duì)復(fù)合工藝的依賴性 復(fù)合材料具有各向異性和非均質(zhì)性的力學(xué)性能特點(diǎn),復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn),耐疲勞性能好 金屬材料疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的30%50%，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的約為70%80% 阻尼減振性能好 基體和纖維界面有較大的吸收振動(dòng)能量的能力 破損安全性好 不會(huì)突然喪失承載能力 耐化學(xué)腐蝕

6、性、電、熱性能好,復(fù)合材料的缺點(diǎn),界面強(qiáng)度低 延展性差，多為脆性材料 材料性能的分散性大 樹脂基復(fù)合材料的耐熱性較低,國防、航空航天領(lǐng)域輕質(zhì)化,降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量 提高結(jié)構(gòu)效率,增加有效載荷,增加射程和續(xù)航能力,減小能耗、降低成本,機(jī)動(dòng)性能和生存能力,復(fù)合材料的應(yīng)用,戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭減少1Kg結(jié)構(gòu)重量，增加射程20Km,戰(zhàn)略導(dǎo)彈三級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)減少1Kg結(jié)構(gòu)重量，增加射程16Km,某第三級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用碳/環(huán)氧復(fù)合材料后，結(jié)構(gòu)質(zhì)量由原來的116千克降為46千克，僅此就將導(dǎo)彈射程提高1000Km以上,國外航空復(fù)合材料發(fā)展歷史,A380復(fù)合材料部件 (用量23%),Boeing 787 結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成,

7、國防、航空其它領(lǐng)域： 輕型飛機(jī)、通用航空領(lǐng)域（70-90%） 直升機(jī)（50%-80%） 無人機(jī)（50%-80%）,其它領(lǐng)域,民用領(lǐng)域 基礎(chǔ)設(shè)施 海洋石油工業(yè) 新能源工業(yè) 電子信息領(lǐng)域,復(fù)合材料應(yīng)用中的機(jī)遇和挑戰(zhàn)！,復(fù)合材料在應(yīng)用中對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念所帶來的沖擊 復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性為材料開發(fā)帶來了無限的可能性,復(fù)合材料應(yīng)用中的力學(xué)問題！,常規(guī)材料中存在的力學(xué)問題，復(fù)合材料中依然存在，且更復(fù)雜； 復(fù)合材料中存在很多常規(guī)材料中不存在的力學(xué)問題，如層間應(yīng)力、邊界效應(yīng)，纖維脫膠、斷裂等 復(fù)合材料的材料設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是同時(shí)進(jìn)行，因而在復(fù)合材料設(shè)計(jì)、加工工藝條件相互之間密切相關(guān),力學(xué)與復(fù)合材料,力學(xué)其傳統(tǒng)的興趣

8、中心已從結(jié)構(gòu)分析轉(zhuǎn)移到發(fā)展更加符合實(shí)際的材料本構(gòu)關(guān)系和更加有效而精確的計(jì)算 由于本身發(fā)展的需要，要求力學(xué)在微結(jié)構(gòu)的水平上來研究材料的行為.通過研究微結(jié)構(gòu)的變形、損傷和破壞對(duì)材料宏觀性能的影響來指出改進(jìn)材料的方向和途徑 與其它材料相比，復(fù)合材料對(duì)力學(xué)的這種需求顯得更為迫切,力學(xué)工作者對(duì)自己提出的要求是同時(shí)具備理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)計(jì)算的三個(gè)方面的本領(lǐng)，才能應(yīng)付復(fù)合材料發(fā)展中所提出的問題.這些問題 各向異性、多相性，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)及其損傷的隨機(jī)性，損傷模式的多樣性和損傷材料的離散性，對(duì)環(huán)境影響的敏感性，材料的可設(shè)計(jì)性，性能對(duì)制造工藝的依賴性(殘余應(yīng)力，界面結(jié)合的影響等等),復(fù)合材料力學(xué)的認(rèn)識(shí),固體力學(xué)：結(jié)

9、構(gòu)受力分析與材料的力學(xué)性能 彈性力學(xué) 材料力學(xué) 材料學(xué)：從材料的物理、化學(xué)性質(zhì)、材料工藝、結(jié)構(gòu)、組分的角度 復(fù)合材料學(xué),復(fù)合材料力學(xué)的認(rèn)識(shí),宏觀力學(xué) 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(yàn)組份材料的作用 微觀力學(xué) 從微觀的角度檢驗(yàn)組份材料之間相互影響研究復(fù)合材料的性能 細(xì)觀力學(xué)方法 固體力學(xué)與材料科學(xué)之間的交叉科學(xué)，從材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，研究其與材料力學(xué)性能的關(guān)系,復(fù)合材料力學(xué)研究內(nèi)容,復(fù)合材料力學(xué)基礎(chǔ)問題 研究復(fù)合材料的微觀和宏觀力學(xué)特性、包括剛度、強(qiáng)度、破壞機(jī)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(xué)測(cè)試等力學(xué)問題 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué) 研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、

10、變形、穩(wěn)定和振動(dòng)等問題,復(fù)合材料力學(xué)成功應(yīng)用的案例,PAGF材料的線性和非線性性能預(yù)測(cè),試樣制備示意圖,各角度彈性模量預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比,各角度彈塑性曲線的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比,多孔陶瓷的脆性斷裂研究 脆性損傷演化過程（孔隙率30%） 孔隙率對(duì)脆性損傷的影響（孔隙率50%-60%-70%）,玻璃微珠部分替代玻纖纖維 保證材料剛度下降5%以內(nèi) 材料成本下降20%，工藝時(shí)間下降29% 微珠的加入改善了材料內(nèi)部的應(yīng)力集中情況，從而提高了材料的強(qiáng)度,碳納米管增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性能預(yù)測(cè) 材料數(shù)據(jù) CNT電導(dǎo)率： 200S/m 界面相電導(dǎo)率：150S/m（用于模擬隧道效應(yīng)） 數(shù)值基體導(dǎo)電性：1E-12S/m,第一部分 復(fù)合

11、材料力學(xué)基礎(chǔ) 第二章 各向異性彈性力學(xué),2.1 彈性力學(xué)基礎(chǔ) 2.2 各向異性彈性體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 2.3 正交各向異性材料的工程彈性常數(shù),2.1 彈性力學(xué)基礎(chǔ),彈性力學(xué)基本假設(shè),連續(xù)性假設(shè) 完全彈性假設(shè) 均勻性假設(shè) 各向同性假設(shè) 小變形假設(shè) 無初應(yīng)力假設(shè),彈性力學(xué)基本方程,應(yīng)力分析 應(yīng)力矢量的定義 斜面上的應(yīng)力應(yīng)力張量 應(yīng)力張量的坐標(biāo)變換 平衡方程，剪應(yīng)力互等定理 主應(yīng)力和應(yīng)力主軸 最大剪應(yīng)力,應(yīng)力張量:,平衡方程,變形分析 物質(zhì)坐標(biāo)和空間坐標(biāo) 應(yīng)變張量的定義 微小應(yīng)變張量的幾何解釋 主應(yīng)變和應(yīng)變主軸 應(yīng)變協(xié)調(diào)方程,幾何方程,變形協(xié)調(diào)方程,物理方程 (本構(gòu)關(guān)系) Hooke 定理,記作=C

12、， C剛度矩陣,物理方程,同樣，可用應(yīng)力分量表示應(yīng)變分量：,SC-1柔度矩陣。,同樣， S也是對(duì)稱矩陣。,三類基本問題,第一類基本問題 在彈性體的全部表面上都給定了外力，要求確定彈性體內(nèi)部及表面任意一點(diǎn)的應(yīng)力和位移,第二類基本問題 在彈性體的全部表面上都給定了位移，要求確定彈性體內(nèi)部及表面任意一點(diǎn)的應(yīng)力和位移,s,第三類基本問題 在彈性體的一部分表面上都給定了外力，在其余的表面上給定了位移，要求確定彈性體內(nèi)部及表面任意一點(diǎn)的應(yīng)力和位移,Su,S,彈性力學(xué)問題的一般解法 6個(gè)應(yīng)力分量 6個(gè)應(yīng)變分量 3個(gè)位移分量,幾何關(guān)系（位移和應(yīng)變關(guān)系）：6 物理關(guān)系（應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系）：6 平衡方程（應(yīng)力之間的

13、關(guān)系）：3 15個(gè)方程求15個(gè)未知數(shù)可解(在給定的力邊界條件和位移邊界條件下) 難以實(shí)現(xiàn) 簡化或數(shù)值解法,位移解法：以位移分量作為自變量，在給定條件下求解以位移表示的平衡微分方程（拉梅方程），較容易實(shí)現(xiàn)； 應(yīng)力解法：以應(yīng)力分量作為基本變量，在給定邊界條件下求解由平衡微分方程組和以應(yīng)力表示的協(xié)調(diào)方程組成的偏微分方程組，應(yīng)力函數(shù)形式較難確定。,彈性力學(xué)的一般原理 疊加原理 在小變形線彈性情況下，作用在物體上的幾組荷載產(chǎn)生的總效應(yīng)（應(yīng)力和變形）等于每組荷載單獨(dú)作用的總和。 解的唯一性原理 在小變形線彈性情況下，彈性力學(xué)問題的解是唯一的。 圣維南原理 靜力等效,解析解法：15方程+邊界條件得出15個(gè)未

14、知量確定解存在數(shù)學(xué)上的障礙 數(shù)值解法 計(jì)算力學(xué) 計(jì)算方法 有限元、有限差分、邊界元 計(jì)算機(jī)程序,離散替代連續(xù),應(yīng)變勢(shì)能密度為：,常見的復(fù)合材料的構(gòu)造,單層板(Unidirectional Laminate ),層合板(Multidirectional Laminate )結(jié)構(gòu),復(fù)合材料的力學(xué)問題復(fù)雜化 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程、幾何關(guān)系、變形協(xié)調(diào)關(guān)系、邊界條件和初始條件等與各向同性的結(jié)構(gòu)相比，在基本概念和原理方面沒有多大變化 本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度準(zhǔn)則發(fā)生重大變化 幾何參數(shù)和材料性能數(shù)據(jù)大大增加 控制方程、邊界條件和初始條件數(shù)量增多、形式復(fù)雜 出現(xiàn)許多新問題，求解難度和工作量增加 原有力學(xué)原理

15、和分析計(jì)算方法可以借鑒和參考 掌握和集成各向同性材料的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，并注意到復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題 各種形式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，在各種類型的載荷（沖擊、交變、長期載荷等）的各種分布情況下，在各種支撐和約束條件下，在結(jié)構(gòu)完好或有缺陷、損傷、裂紋和初始變形情況下，具有各種各樣的本構(gòu)關(guān)系時(shí)的各種靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問題，其中包括應(yīng)力分析、變形、屈曲、動(dòng)力響應(yīng)、震顫和疲勞等以及它們的某種組合 各向異性 分析復(fù)雜、發(fā)揮優(yōu)勢(shì) 不均勻性和某種程度上的不連續(xù)性 影響強(qiáng)度分析（局部） 層間剪切模量較低、層間剪切和拉伸強(qiáng)度更低 孔口和邊界處 拉壓強(qiáng)度和模量不同和非線性,2.2 各向異性彈性體的本構(gòu)關(guān)

16、系,2.2.1有一個(gè)彈性對(duì)稱面的材料,如取xoy坐標(biāo)面與彈性對(duì)稱面平行，取A與A 為相互對(duì)稱點(diǎn)，則它們的彈性性能相同。即將z 軸轉(zhuǎn)到z軸時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不變。,此時(shí)：z=-z，w=-w，,與Z方向有關(guān)的剪應(yīng)變分量變號(hào)，其余應(yīng)變分量不變！,標(biāo)量，與坐標(biāo)系無關(guān)！,為保證W值不變，則含有xz和 yz(4與5)一次項(xiàng)的Cij必置為零,余13個(gè)獨(dú)立變量,同理：,2.2.2正交各向異性材料,如果具有三個(gè)正交彈性對(duì)稱面，則：,正應(yīng)力與剪應(yīng)變之間沒有耦合，剪應(yīng)力與正應(yīng)變之間沒有耦合，不同平面內(nèi)的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變之間也沒有相互作用,只有九個(gè)獨(dú)立系數(shù),2.2.3橫觀各向同性材料,各向同性面在該平面內(nèi)，各點(diǎn)的彈性性能

17、在各方向上相同。,假定：1，2，3都是彈性主軸，12面是各向同性面。,則：S11=S22， S13=S23， S44=S55， C11=C22，C13=C23， C44=C55,又設(shè)某點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)：1= ， 2= ， 4= 5 6=0，有,將1、2坐標(biāo)軸在面內(nèi)轉(zhuǎn)450到1 、2，則1= 2 30， 6 12 ，23 31 0：,則：S662(S11 S12),只有五個(gè)獨(dú)立系數(shù),如果材料任一點(diǎn)、任一方向彈性特性都相同。,有：C11=C22=C33， C12=C13 =C23，,S11=S22=S33，S12=S13 =S23，,2.2.4各向同性材料,只有兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)，可以用E、G任意兩個(gè)表示。E

18、、G之間存在轉(zhuǎn)換關(guān)系。,對(duì)稱性,正交各向異性、橫觀各向同性、各向同性,2.3正交各向異性材料的工程彈性常數(shù),單獨(dú)在j方向有正應(yīng)力時(shí)i方向上應(yīng)變與j方向應(yīng)變之比的負(fù)值,工程常數(shù)是指彈性模量Ei,泊松比ij和剪切模量Gij，這些常數(shù)由簡單拉伸及純剪實(shí)驗(yàn)測(cè)定。,分別在各彈性主方向有作 用力時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變之比,對(duì)正交各向異性材料：,E1、E2、E3為1，2，3方向上的彈性模量 vij為應(yīng)力在j方向上作用時(shí),i方向應(yīng)變與j方向應(yīng)變之比的負(fù)值 G23,G31,G12為2-3，3-1，1-2平面的剪切應(yīng)變,ij為應(yīng)力在j方向上作用力時(shí)引起i方向的橫向應(yīng)變的泊松比,正交各向異性材料只有九個(gè)獨(dú)立常數(shù)，現(xiàn)在有12個(gè)常數(shù) 根據(jù)S矩陣的對(duì)稱性，有：,用工程常數(shù)表示剛度矩陣,對(duì)于各向同性材料,彈性常數(shù)滿足某些關(guān)系式，如剪切模量G可以有彈性模量E和泊松比v給出： 為保證E和G為正值，即正應(yīng)力或剪應(yīng)力乘以正應(yīng)變或剪應(yīng)變產(chǎn)生正功,正交各向異性材料彈性常數(shù)的限制,同樣對(duì)于各向同性體承受靜壓力P的作用，體積應(yīng)變（三個(gè)正應(yīng)變或拉伸應(yīng)變之和）可定義為：,K為正值（如果K為負(fù)，靜壓力將引起體積膨脹）,正交各向異性材料的情況很復(fù)雜（熱力學(xué)分析和能量的角度分析，要符合） 應(yīng)力分量