復(fù)合材料力學(xué)基礎(chǔ).ppt

材料力學(xué) (Material Mechanics),湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,2,16 復(fù)合材料力學(xué)基礎(chǔ),湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,3,=,=,16.1 概 述 16.2 復(fù)合材料的種類(lèi) 16.3 合材料的構(gòu)造及制法 16.4 復(fù)合材料力學(xué)分析的基本假設(shè)和方法 16.5 復(fù)合材料的力學(xué)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(xué)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),湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,4,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(xué)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(lái)組分下列材料所沒(méi)有的，復(fù)合材料可能改善組分材料的剛度、強(qiáng)度、熱學(xué)等性能。 現(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(xué)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(xué)理論，稱(chēng)為復(fù)合材料力學(xué)，它是固體力學(xué)學(xué)科中的一個(gè)新分支。,16.1 概 述,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,5,16.2 復(fù)合材料的種類(lèi), 顆粒復(fù)合材料 層合復(fù)合材料 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,16.2.1 復(fù)合材料的種類(lèi),湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,6,1.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,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,7,1.樹(shù)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,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,8,（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,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,9,圖16.2 疊層材料構(gòu)造形式舉例, 疊層復(fù)合材料,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,10,1.玻璃纖維環(huán)氧復(fù)合材料 將環(huán)氧樹(shù)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(guò)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(qiáng)金屬基復(fù)合材料 一般制造方法有擴(kuò)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。,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,11,3.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(dòng)，加壓迫使懸浮物經(jīng)過(guò)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(xì)眼篩上快速過(guò)濾去掉甘油，這樣形成了定向纖維氈，然后再加樹(shù)脂并模壓成短纖維復(fù)合材料。,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,12,1.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(xiàn)彈性的 5.層合板的變形是很小的,16.4 復(fù)合材料力學(xué)分析的基本假設(shè)和方法,16.4.1 基本假設(shè),湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,13,它從細(xì)觀角度分析組分材料之間的相互影響來(lái)研究復(fù)合材料的力學(xué)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(yàn)組分材料的作用來(lái)研究復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能。,16.4.2 細(xì)觀力學(xué),16.4.3 宏觀力學(xué),湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,14,它從更粗略的角度來(lái)分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，把疊層材料作為分析問(wèn)題的起點(diǎn)，疊層材料的力學(xué)性能可由上述宏觀力學(xué)方法求出，或?yàn)榱撕?jiǎn)便和可靠可用實(shí)驗(yàn)方法直接求出。,16.4.4 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué),湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,15,16.5 復(fù)合材料的力學(xué)性能,16.5.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的重要力學(xué)性能,1.玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特點(diǎn)是比強(qiáng)度高，耐腐蝕、電絕緣、易制造、成本低，缺點(diǎn)是比模量較低。 2.碳纖維復(fù)合材料有很高的比強(qiáng)度和比模量，耐高溫、耐疲勞、熱穩(wěn)定性好。 3.芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種新的復(fù)合材料，它有較高的比強(qiáng)度和比模量。,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,16, 比強(qiáng)度高，尤其是高強(qiáng)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(jì)性，這是復(fù)合材料與金屬材料很大的不同點(diǎn)，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(diǎn),湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,17, 材料各向異性嚴(yán)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(qiáng)度很低。 材料性能的分散度較大，質(zhì)量控制和檢測(cè)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(jī)械連接較困難。,16.5.3 復(fù)合材料的缺點(diǎn),湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,18,16.6 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(guó)內(nèi)外已應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)身、機(jī)翼、駕駛艙、螺旋槳、 雷達(dá)罩、機(jī)翼表面整流裝置、直升飛機(jī)旋翼槳葉、客機(jī)前后翼身整流罩、主起落架艙門(mén)等。, 航天工程 減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量等。,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,19,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(chǎng)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,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,20, 采用復(fù)合材料替代金屬可減少腐蝕延長(zhǎng)壽命,16.6.5 化學(xué)過(guò)程中應(yīng)用, 化工設(shè)備中采用樹(shù)脂基復(fù)合材料，其重量輕、維修 容 易、使用壽命長(zhǎng) 石油化工管道也有用玻璃鋼制造的，其重量輕、壽 命長(zhǎng)、成本低 用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料制造汽車(chē)、火車(chē)罐車(chē)， 罐體上的托架、入孔及附件全部只是纏繞過(guò)程中固 定、一次整體成型,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,21,1. 火車(chē) 2. 汽車(chē) 3. 自行車(chē),16.6.6 車(chē)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(qiáng)電設(shè)備 2. 電子設(shè)備 3. 家用電器,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,22,16.6.8 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,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,23,1. 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(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用,16.6.10 在機(jī)械過(guò)程中的應(yīng)用,1. 用于通用機(jī)械 2. 用于模具,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,24,對(duì)于直角坐標(biāo)系，三個(gè)正交平面上的應(yīng)力分量 是：,其中，,16.7 各向異性彈性力學(xué)基本方程,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,25,應(yīng)變張量 可表示為:,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,26,三個(gè)運(yùn)動(dòng)（或平衡）方程式:,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,27,幾何關(guān)系（小變形）:,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,28,變形協(xié)調(diào)方程 :,其中實(shí)際上有3個(gè)獨(dú)立關(guān)系式。,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,29,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(shí)，應(yīng)力分量與應(yīng)變分量間有下列關(guān)系:,式中 稱(chēng)為剛度系數(shù)。,以上15個(gè)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(gè)未知量。同各向同性彈性力學(xué)基本方程相比，區(qū)別只在物理方程應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,30,圖 16.4 彈性對(duì)稱(chēng)平面,圖16.5 彈性對(duì)稱(chēng)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(gè)彈性對(duì)稱(chēng)平面的材料,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,31,16.8.2 正交各向異性材料,具有兩個(gè)正交彈性對(duì)稱(chēng)的材料一定對(duì)于和這兩個(gè)平面垂直的第三個(gè)平面具有對(duì)稱(chēng)性，這種材料稱(chēng)為正交各向異性材料，其剛度矩陣C如下,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,32,若經(jīng)過(guò)彈性體材料一軸線(xiàn)，在垂直該軸線(xiàn)的平面內(nèi)，各點(diǎn)的彈性性能在各方向上都相同，則此材料稱(chēng)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,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,33,橫觀各向同性材料的柔度矩陣為,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,34,各向同性材料中每一點(diǎn)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,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,35,各向同性材料的剛度和柔度矩陣分別為,湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,36,工程上常采用工程彈性常數(shù)來(lái)