复合材料层合板结构振动声辐射优化

层合板的热致振动的有限元分析(最终定稿)

考虑辐射散热的叠层板热诱发振动的有限元分析 赵寿根1) 王静涛1) 黎康2)刘一武2) 1) 北京航空航天大学航空科学与工程学院, 北京100191 2) 北京控制工程研究所, 北京100080 Finite Element Method Analysis of Thermally Induced Vibration of Laminated Plates Considering Radiation Zhao Shougen1), Wang Jingtao1), Li Kang2), Liu Yiwu2) (1. School of aeronautic science and technology, Beijing University of aeronautics and astronautics, Beijing 100191, China) (2. Beijing institute of control engineering, Beijing 100080, China) 摘要：本文通过在叠层板单层厚度方向上布置温度线的方法求解了考虑辐射散热边界条件下的叠层板的瞬态温度场；在此基础上利用考虑剪切效应的高阶板位移场建立板振动的有限元方程，分析了叠层板的热诱发振动问题；通过算例与ANSYS三维耦合单元（SOLID5）结果对比表明本文提出的计算模型和方法具有很好的计算效率和精度。 关键词：叠层板；辐射散热；热致振动；高阶位移场；有限单元法 Abstract: Transient temperature field of laminated plates which considering radiation is analyzed by laying temperature lines in every layer in this paper. Finite element equations are established by using high-order displacement field which considering shear effect after the temperature analysis. Then thermally induced vibration of laminated plates is illustrated by solving the finite element equation with numerical method. It shows that the methods which proposed in this paper have a better precision and more efficiency by comparing with numerical results of ANSYS by using 3-D coupled element (SOLID5). Keyword: laminated plate; radiation; thermally induced vibration; high-order displacement field; FEM 0．引言 近年来，航天器结构周期性进出阴影区和日照区，其柔性附件结构内部的瞬态温度梯度导致的结构振动成为影响航天器附件正常工作的重要因素。随着复合材料结构在航天领域的广泛应用而引起的复合材料柔性结构热诱发振动机理的研究成为航天器结构研究的必要且重要的内容之一。 迄今为止，已有大量文献对柔性结构的热诱发振动进行了细致的分析。热诱发振动的基础性研究起始于1956年Boley [1]发表的一篇关于梁在突加温度载荷作用下出现温度梯度而诱发梁的振动的文章。文中指出当结构的一阶自振频率与热载荷的热特征时间相近时，结构就会发生热诱发振动。Jones[2]研究了考虑剪切效应、扭转惯性力和轴力的梁的热致振动；王静涛、赵寿根等研究了考虑材料的温度效应下的薄壁梁的热诱发振动问题[3]；Kraus[4]分析了薄壁球壳的热诱发振动；Mason[5]第一次将有限单元法应用于热诱发振动，他使用梁单元和平面单元解决了梁和板的热诱发振动问题。1992年Earl A. Thornton [5]分析了柔性折叠太阳能电池板非耦合和耦合的热诱发振动，得到了太阳能电池板热诱发振动的解析解。2007年，Ryuusuke Kawamura[6]，假设温度沿厚度方向呈线性分布，在已知温度边界条件下，建立了沿厚度方向材料属性不同的板的热诱发振动的基本方程，并求解了正弦温度边界条件的温度场的解析解及矩形板的热诱发振动响应问题。Rajeev Kumar[7]，同样假设温度沿厚度方向线性分布，并利用有限单元法求解了柱形壳在已知温度边界条件下热诱发振动的控制问

复合材料层合板的厚度方向性能和层间性能_张汝光[1]

· 2 · 玻璃钢 2006年第4期 复合材料层合板的厚度方向性能 和层间性能　 张 汝 光 (上海玻璃钢研究院，上海 201404) 摘 要 复合材料层合板厚度方向性能和层间性能有着完全不同物理的概念，不能混用，以免发生差错。用三点弯曲外伸梁法，测定一般层合板厚度方向的剪切性能，理论上可行，但在实际测试中会产生较大误差，很难保证数据的准确性。 关键词：层合板； 厚度方向； 层间； 三点弯曲试验 1 两个不同的物理概念 复合材料层合板厚度方向的性能和层间性能有着完全不同的物理概念，应该加于区别，不能混用，以免发生差错。虽然厚度 方向在单向拉伸、压缩或剪切应力作 用下，层间界面相受到同样的拉伸、 压缩或剪切应力，但其应变完全不同 （见图1、图2和图3），破坏强度也 3σ 13τ3 图2 层合板厚度－3方向的受力和表观变形 图3 层合板层间界面相的受力和变形

· 3 · 层间性能顾名思义，是层合板两层之间界面相的性能，反映单纯界面相对外界作用的响应；而厚度方向的性能，则反映整个层板材料在3方向的表观性能，它包括各层及其界面相对外界作用的综合响应。在复合材料层板的受力分析中，需要区分这两个不同的概念，以免发生差错。如，在分析层合板厚度方向的应变时，需要用厚度方向的表观模量；在分析由于相邻层性能的不匹配造成的层间应力时（如：拉伸、压缩时，由于两相邻层泊松比不同或温度变化时，由于两相邻层热膨胀系数不同，而产生的层间剪切应力；或拉伸、压缩时，由于两相邻层模量的不同，而产生的层间正应力等等），需要用层间的界面相模量。而厚度方向的模量往往要比层间界面相的模量大2至5倍。又如在分析单向板的拉伸和压缩不同的损伤扩展、破坏模式和强度时，界面相的性能起非常重要的作用，而它完全不同于层合板厚度方向的性能，不能用后者来取代。 1.1 厚度方向和层间的弹性模量 由上图可以清楚看出，受简单拉伸（或压缩）和剪切时，虽然复合材料层合板的层间应力和厚度方向的应力相等，其应变完全不同。材料的弹性模量等于产生单位应变所需要的作用应力，应力相等，而应变不等，自然它们的弹性模量也不相等。即 int E (层间拉伸模量) ≠ 3E (厚度方向拉伸模量) int G (层间剪切模量) ≠ 13G (厚度方向剪切模量) 1.2 厚度方向和层间的强度 厚度方向的作用应力达到最大时，材料发生破坏，此时的应力是复合材料层合板厚度方向的强度。其破坏可以是发生在界面相上，也可以是发生在某一层内。只有当破坏发生在界面相时，厚度方向的强度才等于层间强度。如，若层合板中含有泡沫层（如泡沫夹层板），破坏往往就发生在泡沫层内，厚度方向的强度等于泡沫材料的强度，而不是层间强度。对大多数的层合板，破坏常常发生在层间，因此可认为是层间强度。但这不是绝对的，所有还是分开为好，以避免发生差错。 2 层合板厚度方向性能和层间性能的测试 由于通过对厚度方向施加单向力，就可实现对层间界面相施加同样的单向力，层间性能的测试往往就可以相同于对厚度方向的测试，只是在对数据分析处理时，要注意加于区别。如： 2.1 层合板厚度方向性能的测试 厚度方向的弹性模量： 333/εσ??=E 131313/γτ??=G 厚度方向的强度：

单搭层合板胶接接头界面应力分析

单搭层合板胶接接头界面应力分析 摘要：为研究T700/ TDE86复合材料单向层合板单搭接接头在单向拉伸载荷作用下的界面应力分布情况，采用有限元方法对接头进行数值计算，模拟了接头搭接区界面剥离应力及剪切应力分布情况，并分析粘接体厚度对接头最大应力的影响。 关键词：层合板；单搭胶接接头；界面；应力分析 随着航空航天技术的发展，胶接连接技术得到越来越广泛的应用。胶接技术[1]现已成为航空航天工艺中不可缺少的一种连接工艺技术。由于有限元商业应用软件的成熟使用，采用有限元方法分析接头的应力已成为必不可少的研究手段。尽管前人已经做了一些对胶接接头的研究，但为了分析T700/TDE86复合材料单向层合板单搭胶接接头的界面应力分布情况及层合板厚度对最大应力的影响，本文作者应用ANSYS10.0有限元分析软件，分析接头搭接区界面剥离及剪切应力分布情况；同时分析了粘接体厚度对接头界面最大剥离/剪切应力值的影响。 1 数值模型 T700/TDE86环氧树脂基复合材料单向板力学性能及胶层力学性能见文献[7]。接头几何尺寸为：胶接接头整体长度为200mm，宽度为25mm，搭接长度为20mm，胶层厚度为0.3mm；层合板厚度2mm，铺设方式为[0]10，纤维体积含量60%，单向层合板铺层角度与加载方向成0°角。约束及加载情况为：一端固定，一端施加9.0kN的轴向拉力，接头两端分别在40mm长度区域层合板表面节点限定了Y、Z方向的位移。图1为整体及局部网格划分，最大单元尺寸为1mm，最小单元尺寸为0.1mm。在接头搭接区端部进行网格细化。 2 界面应力分布 图2给出了接头搭接区界面的面内应力及面外应力的分布。从图中可以看到，剪应力和剥离应力在接头搭接区端部有明显的应力集中，但剥离应力比剪应力小，因此剪应力是影响接头强度的主要因素，导致接头更易发生界面破坏。数值计算得出界面剪应力集中发生在距搭接区自由端部1.25mm位置，且剪应力沿搭接长度是对称分布的。 3 层合板厚度的影响 （1）对于胶层厚度为0.3mm，搭接长度为20mm接头，粘接体厚度分别取：1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm和3.5mm； 图3为胶接界面最大应力随粘接体厚度的变化曲线。由图3可见，当两粘接体厚度相同时，随着粘接体厚度的增大，接头界面的最大剥离应力增大，最大剪

复合材料层合板强度计算现状

复合材料层合板强度计算现状 作者：李炳田 1．简介 复合材料是指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料。一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，它改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。复合材料从应用的性质可分为功能复合材料和结构复合材料两大类。功能复合材料主要具有特殊的功能，例如:导电复合材料，它是用聚合物与各种导电物质通过分散、层压或通过表面导 电膜等方法构成的复合材料；烧灼复合材料，它由各种无机纤维增强树脂或非金属基体构成，可用于高速飞行器头部热防护；摩阻复合材料，它是用石棉等纤维和树脂制成的有较高摩擦系数的复合材料，应用于航空器、汽车等运转部件的制动。功能复合材料由于其涉及的学科比较广泛，已不是单纯的力学问题，需要借助电磁学，化学工艺、功能学等众多学科的研究方法来研究。结构复合材料一般由基体料和增强材料复合而成。基体材料主要是各种树脂或金属材料；增强材料一般采用各种纤维和颗粒等材料。其中增强材料在复合材料中起主要作用，用来提供刚度和强度，而基体材料用来支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷。结构复合材料在工农业及人们的日常生活中得到广泛的应用，也是复合材料力学研究的主要对象，是固体力学学科中一个新的分支。在结构复合材料中按增强材料的几何形状及结构形式又可划分为以下三类： 1．颗粒增强复合材料，它由基体材料和悬浮在基体材料中的一种或多种金属或非金属颗 粒材料组合而成。 2．纤维增强复合材料，它由纤维和基体两种组分材料组成。按照纤维的不同种类和形状 又可划分定义多种复合材料。图1.1为长纤维复合材料的主要形式。 图1.1 3．复合材料层合板，它由以上两种复合材料的形式组成的单层板，以不同的方式叠合在 一起形成层合板。层合板是目前复合材料实际应用的主要形式。本论文的主要研究对象就是长纤维增强复合材料层合板的强度问题。长纤维复合材料层合板主要形式如图1.2所示。 图1.2 一般来说，强度是指材料在承载时抵抗破坏的能力。对于各向同性材料，在各个方向上强度均相等，即强度没有方向性，常用极限应力来表示材料的强度。对于复合材料，其强度的显著的特点是具有方向性。因此复合材料单层板的基本强度指标主要有沿铺层主方向（即纤维方向）的拉伸强度Xt和压缩强度Xc；垂直于铺层主方向的拉伸强度Yt和压缩强度Yc以及平面内剪切强度S等5个强度指标。对于复合材料层合板而言，由于它是由若干个单层

复合材料力学上机编程作业(计算层合板刚度)要点

复合材料力学上机编程作业 学院：School of Civil Engineering专业：Engineering Mechanics 小组成员信息：James Wilson（2012031890015）、Tau Young（2012031890011）复合材料力学学了五个星期，这是这门课的第一次编程作业。我和杨涛结成一个小组，我用的是Fortran编制的程序，Tau Young用的是matlab编制。其中的算例以我的Fortran计算结果为准。Matlab作为可视化界面有其独到之处，在附录2中将会有所展示。 作业的内容是层合板的刚度的计算和验算，包括拉伸刚度A、弯曲刚度D以及耦合刚度B。 首先要给定层合板的各个参数，具体有：层合板的层数N；各单层的弹性常数 E1、E2、υ21、G12；各单层 对应的厚度；各单层对应的主方向夹角θ。然后就要计算每个单层板的二维刚度矩阵Q，具体公式如下： υ12=υ21E2 E1；Q11=E11-υ12υ21；Q22=E21-υ12υ21；Q12=υ12E1； 1-υ12υ21Q66=G12 得到Q矩阵后，根据课本上讲到的Q=(T-1)TQ(T-1)得到Q。 然后根据z坐标的定义求出z0到zn，接下来，最重要的一步，根据下式计算A、B、D。 n??Aij=∑(Qij)k(zk-zk-1) k=1??1n22?Bij=∑(Qij)k(zk-zk-1) 2k=1??1n33?Dij=∑(Qij)k(zk-zk-1)3k=1? 一、书上P110的几个问题可以归纳为以下几个类型。

第 1 页共 1 页 （4）6层反对称角铺设层合板（T5-10）第 2 页共 2 页

复合材料层合板

复合材料层合板 MA 02139，剑桥 麻省理工学院 材料科学与工程系 David Roylance 2000年2月10日 引言 本模块旨在概略介绍纤维增强复合材料层合板的力学知识；并推导一种计算方法，以建 立层合板的平面内应变和曲率与横截面上内力和内力偶之间的关系。虽然这只是纤维增强复 合材料整个领域、甚至层合板理论的很小一部分，但却是所有的复合材料工程师都应掌握的 重要技术。 在下文中，我们将回顾各向同性材料矩阵形式的本构关系，然后直截了当地推广到横观 各向同性复合材料层合板。因为层合板中每一层的取向是任意的，我们随后将说明，如何将 每个单层的弹性性能都变换到一个共用的方向上。最后，令单层的应力与其横截面上的内力 和内力偶相对应，从而导出控制整块层合板内力和变形关系的矩阵。 层合板的力学计算最好由计算机来完成。本文简略介绍了几种算法，这些算法分别适用 于弹性层合板、呈现热膨胀效应的层合板和呈现粘弹性响应的层合板。 各向同性线弹性材料 如初等材料力学教材（参见罗兰奈斯（Roylance ）所著、1996年出版的教材1）中所述， 在直角坐标系中，由平面应力状态（0===yz xz z ττσ）导致的应变为 由于泊松效应，在平面应力状态中还有沿轴方向的应变：z )(y x z σσνε+?=，此应 变分量在下文中将忽略不计。在上述关系式中，有三个弹性常量：杨氏模量E 、泊松比ν和 切变模量。但对各向同性材料，只有两个独立的弹性常量，例如，G 可从G E 和ν得到 上述应力应变关系可用矩阵记号写成 1 参见本模块末尾所列的参考资料。

方括号内的量称为材料的柔度矩阵，记作S 或。 弄清楚矩阵中各项的物理意义十分重要。从矩阵乘法的规则可知，中第i 行第列的元素表示第个应力对第i 个应变的影响。例 如，在位置1,2上的元素表示方向的应力对j i S j i S j j y x 方向应变的影响：将E 1乘以y σ即得由y σ引起的方向的应变，再将此值乘以y ν?，得到y σ在x 方向引起的泊松应变。而矩阵中的 零元素则表示法向分量和切向分量之间无耦合，即互不影响。 如果我们想用应变来表示应力，则式（1）可改写为： 式中，已用G )1(2ν+E 代替。该式可进一步简写为： 式中，是刚度矩阵。注意：柔度矩阵S 中1,1元素的倒数即为杨氏模量，但是 刚度矩阵中的1,11 S D ?=D 元素还包括泊松效应、因此并不等于E 。 各向异性材料 如木材、或者如图1所示的单向纤维增强复合材料，其典型特征是：沿 纤维方向的弹性模量有纹理的材料，1E 将大于沿横向的弹性模量和。当2E 3E 321E E E ≠≠时，该材料称 为其力学性能是各向同性的，即为正交各向异性材料。不过常见的情况是：在垂直于纤维方向的平面内，可以足够精确地认 32E E =，这样的材料称为横观各向同性材料。这类各向异 同性材料的推广： 性材料的弹性本构关系必须加以修正， 下式就是各向同性弹性体通常的本构方程对横观各向 式中，参数12ν是主泊松比，如图1所示，沿方向1的应变将引起沿方向2的应变，后者与 前者之比的绝对值就是12ν。此参数值不象在各向同性材料中那样，限制其必须小于0.5。反 过来，沿方向2的应变将引起沿方向1的应变，后者与前者之比的绝对值就是21ν。因为方

层合板壳振动主动控制的研究现状与发展

层合板壳振动主动控制的研究现状与发展孙爱琴1,王建国2 (1.合肥学院建筑工程系,合肥　230022;2.合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥　230009) 摘　要:随着复合材料的广泛应用和层合板壳理论的日趋成熟,复合材料层合板壳系统的振动主动控制得到快速发展.压电智能结构控制策略,最优线性二次型(LQR )控制算法,以及主动控制向各个领域的渗透,已成为近年来振动主动控制领域的热点问题.对该领域的热点问题加以研究,提出了若干有待进一步解决的问题. 关键词:复合材料层合板壳;振动主动控制;智能结构;LQR 中图分类号:T U599 文献标识码:A 文章编号:1673-162X (2008)03-0059-04 近年来,随着复合材料层合板壳结构的广泛应用,复合材料层合板壳系统的振动主动控制得到快速发展.采用不同的控制原理和控制方法,通过一定的控制策略可以达到控制结构振动的目的.结构的振动主动控制,从控制实施的方法上,通过压电智能材料控制得到充分发展;从控制的算法上,有状态空间理论法、动态规划法、最优线性二次型(LQR )方法;从控制涉及的领域上,有航天航空、动力系统、噪声系统,以及许多的工程领域.本文对近年来层合板壳振动主动控制研究方面的热点问题加以研究. 1　复合材料的特点和应用 复合材料是由两种或两种以上的单一材料,用物理或化学的方法经人工复合而成的一种多相固体材料.复合材料比强度高,比刚度大,抗疲劳性能好,减振性能和高温性能好,破损安全性能及成型工艺性能好,热稳定性能好,又有很大的材料设计自由度.它的发展迅速,被誉为20世纪特别是近30年来科技领域中出现的重要成就,对推动世界高科技和经济的发展起非常关键的作用. 从应用范围看,复合材料不仅在航空航天、兵器、舰船等国防工业中占据着重要的地位;而且在桥梁、高速公路、铁路、大坝、机场、港口等基础设施工程中发展迅猛;在化学化工、医学、机械领域应用广泛.从研究领域看,它涉及智能、生物、医用、与环境协调发展和信息领域等方面.从所起的作用来讲,它有减少能耗、隔声、减振、增强强度和韧性等作用.多层复合材料板壳结构具有许多比单层板壳优良的性能,广泛应用于各个领域. 2　复合材料层合板壳理论的发展 基于Kirchhoff 假设的经典板理论忽略了横向剪切变形的影响,对各向同性薄板能够获得比较满意的结果;但对于中厚板来说,横向变形的影响要大得多.为了考虑横向剪切变形的影响,Reissner,Hencky,M indlin 发展了一阶剪切变形板理论,考虑了横向切应力对板变形的影响和法向应力对应变的影响.按三维弹性力学的结果,沿板厚方向剪应变的变化至少是二次函数,一阶剪切变形板理论引进剪切因子.剪切因子和板的性能参数、铺层方式、几何和边界条件有关,确定起来相当麻烦.为了克服这一困难,国内外许多学者又提出种种高阶剪切变形理论.高阶剪切变形理论不再需要引进剪切因子,计算精度也有所提高. Reddy [1]提出简单高阶剪切变形板理论,其独立的未知数只有5个,和一阶剪切变形板理论相当;随后,Reddy 又将其理论推广到包括几何非线性在内.现在普遍运用的就是Reddy 高阶剪切变形板理论. 传统意义上的三维弹性力学方法是一种精确解法,用来分析和计算厚板壳,以及研究壳体的边界效应和板壳圣维南区域内解的详细情况,可以得到解析结果.作为一个参考标准,用来检验各种实用理论(薄收稿日期:2008-05-13 修回日期:2008-06-20 基金项目:合肥学院自然科学研究发展基金项目(06KY024ZR )资助. 作者简介:孙爱琴(1972—),女,河南郑州人,合肥学院建筑工程系讲师;王建国(1954—),男,安徽怀宁人,合肥工业大学土木与水利工程学院教授、博士生导师 . (自然科学版)Journal of Hefei University (Natural Sciences )　2008年8月　第18卷第3期 Aug .2008Vol .18No .3

复合材料力学层合板若干问题解决

复合材料力学课程设计 一、 层合板失效载荷计算 1、 问题描述： 已知：九层层合板，正交铺设，铺设比为0.2m =。受载荷x N N =，其余载荷均为零。每个单层厚度为0.2t mm =。玻璃/环氧单层板性能：41 5.4010E Mpa =?， 42 1.8010E Mpa =?，120.25ν=，3128.8010G Mpa =?，31.0510t c X X Mpa ==?， 2.810t Y Mpa =?，14.010c Y Mpa =?， 4.210S Mpa =?。 求解：1、计算各铺层应力？ 2、最先一层失效的载荷？ 2、 使用mat lab 编程求解： 将输入文件“input.txt ”经由程序“strain.m ”运行，得到输出文件“output.txt ”。求解程序见附录一。 3、计算结果：（其中R 是强度比） 求单层刚度 Q1: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q2: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q3: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000

0.00000 0.00000 8800.00000 Q4: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q5: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q6: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q7: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q8: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q9: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 求中面应变 Ez: 0.0306235*R -0.00290497*R

复合材料结构设计的专用软件ESAComp

复合材料结构设计的专用软件ESAComp 作者：MarkkuPalanters 简介：复合材料层合板的设计过程存在着同传统金属结构设计不同的阶段。例如，复合材料的结构设计有许多种可能的材料组合，而且，材料的各向异性力学行为在设计阶段是能通过选择特定的纤维方向和叠层次序就确定了的。虽然有限元程序能够用来对复合材料进行分析，但是却不能够涵盖所有涉及复合材料具体设计和分析方面。因此，还需要专业化的复合材料设计工具来对复合材料进行设计。一些比较先进的设计工具，如本文中涉及的ESAComp软件，同有限元软件包结合起来，组成了复合材料结构设计过程的整个部分。关键词：复合材料，复合材料结构，层合板，夹层结构，分析，设计，软件，ESAComp 1. 复合材料的设计需要软件工具 在很多方面，复合材料的结构设计同金属材料的结构设计都存在着差异。在设计阶段纤维增强复合材料结构和夹层结构的力学性能就已经被确定下来。通过选择不同的材料、铺层角和叠层次序可以无限设计出具有不同力学性能特征的复合材料来。要充分利用复合材料优异的比刚度、比强度就需要非常强调复合材料的设计工作。 通过使用各向异性壳单元，所有的主流有限元软件对复合材料结构分析都提供了很大的帮助。但是，在复合材料的初始设计阶段对整个结构进行有限元分析的起始准备工作，包括材料种类的选择、层合和夹层结构的设计以及层合板铺层方式设计，有限元软件的实用性不大。当在层合板结构的不同层的级别上来对复合材料行为进行细节研究时，有限元软件包提供的后处理能力尤其有限。这也再次说明了专业复合材料分析工具的必要性。 从文件输入\输出的内部代码方式到电子数据表格的应用和完全交互式视窗程序，许多的软件工具被开发出来对层合板进行分析。当前一些比较高级的软件工具已经从基本的层合板分析发展到了对类似梁、板和夹层面板中复合材料层板的连接等这样的结构单元进行分析。一些层合板分析工具可以为商用的有限元软件提供界面。 本篇文章的基础是在开发ESAComp软件过程中获得的经验。接下来的章节中，将ESAComp软件作为先进复合材料设计软件中的一个典型，对其所具有的设计能力进行介绍。并在最后部分讨论了复合材料设计工具同有限元程序的系统问题。

复合材料力学

目录 复合材料细观力学 (1) 简支层合板的自由振动 (9) 不同条件下对称层合板的弯曲分析 (14)

复合材料细观力学 ——混凝土细观力学 一、研究背景 复合材料细观力学 复合材料细观力学是20世纪力学领域重要的科学研究成果之一，是连续介质力学和材料科学相互衍生形成的新兴学科。 近20年来，我国科技工作者应用材料细观力学的理论和方法，成功研究了许多复合材料的增强，断裂和破坏问题，给出了一些特色和有价值的研究成果。 混凝土细观力学 混凝土作为一种重要的建筑材料已有百余年的历史，它广泛应用于房屋、桥梁、道路、矿井、及军工等诸多方面。在水工建筑方面，混凝土也被大量使用，特别是大体积混凝土，它是重力坝和拱坝的主要组成部分，对混凝土各项力学性能的准确把握及应用，在一定程度上决定了水工建筑物的质量和安全性能。 二、研究目的 长期以来，在混凝土应用的各个领域里，人们对混凝土的力学特性进行了大量的研究。如何充分的利用混凝土的力学性能，建造出更经济、更安全和更合理的建筑物或工程结构，一直都是结构工程设计领域研究的重要课题。 三、研究现状 混凝土是由粗骨料和水泥砂浆组成的非均质材料，它的力学性能

受到材料的品质、组分、施工工艺和使用条件等因素的影响。过去，人们对混凝土力学性能的研究很大程度上是依靠实验来确定的。随着实验技术的发展，混凝土各种力学性能被揭示出来。但由于实验需要花费大量的人力、物力和财力，而且所得到的实验成果往往由于实验条件的限制也是很有限的。 现代科学的一个重要的思维方式与研究方法就是层次方法，在对客观世界的研究中，当停留在某一层次，许多问题无法解决时，深入到下一个层次，问题就会迎刃而解。 对混凝土断裂问题的研究归纳为如下四个研究层次： 1)宏观层次：混凝土这种非均质材料存在着一个特征体积，经验的 特征体积相应于3～4倍的最大骨料体积。当混凝土体积大于这种特征体积时，材料被假定为均质的，当小于这种特征体积时，材料的非均质性将会十分明显。有限元计算结果反映了一定体积内的平均效应，这个特征体积的平均应力和平均应变称之谓宏观应力和宏观应变。 2)细观层次：在这个层次中，混凝土被认为是一种由骨料、砂浆和 它们之间的粘结带组成的三相非均质复合材料，细观内部裂隙的发展将直接影响混凝土的宏观力学性。细观层次的模型一般是毫米或厘米量级。 3)微观层次：在这个层次上，认为砂浆的非均质性是由浆体中的孔 隙所产生的。由于砂浆中孔隙很小而且量多，随机分布，水泥砂

复合材料层合板的弯曲性能和试验

玻璃钢2009年第3期研究报告 复合材料层合板的弯曲性能和试验 张汝光 （上海玻璃钢研究院有限公司，上海201404） 摘要 弯曲性能不用作设计参数。而弯曲试验，由于方法简单，却广泛用于质量检验。三点弯曲和四点弯曲试验，都存在剪切应力的影响，需要正确选择跨厚比，使剪切应力的影响降到最小。弯 曲模量和弯曲强度都是只对均匀层合板；对非均匀层合板，弯曲模量和弯曲强度没有物理意义，其弯曲性能应该用弯曲刚度和最大弯矩来表述。 关键词：层合板弯曲性能跨厚比 1 复合材料的弯曲试验和弯曲性能 弯曲试验严格地说适用范围仅是均匀层合板（沿厚度均匀铺层）。有人还提出，仅限于单向板或平面正交织物层合板。对于非均匀层合板，其弯曲性能还取决于铺层顺序，已经是结构的性能了。 弯曲试验的性能计算公式，建立在假设正应变是沿厚度方向呈线性分布的；材料是均质的。由于板材是均质的，因此应力（模量乘应变）也呈线性分布。层合板的中性面就在中心面上，应力、应变都为零，向层合板上下表面达到最大绝对值。由此，可推导出材料的弯曲模量和弯曲强度。对于非均匀层合板，仍可以假设应变呈线性分布，但因为各层模量不同，应力分布已不呈线性。弯曲试验方法给出的模量和强度计算公式不再成立了，不能使用。非均质层合板也不存在材料弯曲模量和弯曲强度的物理概念。对非均质层合板只能计算其弯曲刚度（弯矩和曲率比）和可承受的最大弯矩。试件铺层顺序和厚度尺寸还应与结构物层板严格相同，否则测出数据对产品没有直接参考意义。 弯曲试验测出的挠度，除弯曲挠度外，还包含剪切挠度。但在试验数据处理计算时按纯弯曲考虑，忽略了剪切影响。因此计算出的模量要比拉伸测出的低。而强度，由于是仅仅在试件中央最外层一点上（往往不是最薄弱点）承受最大应力，试件强度是试件在这一点上的强度；而拉伸试验是整个试件都承受一样的最大应力，试件的强度是整个试件中最薄弱处的 · 1 ·

复合材料层合板强度计算现状

复合材料层合板强度计算现状 1．简介 复合材料是指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料。一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，它改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。复合材料从应用的性质可分为功能复合材料和结构复合材料两大类。功能复合材料主要具有特殊的功能，例如:导电复合材料，它是用聚合物与各种导电物质通过分散、层压或通过表面导电膜等方法构成的复合材料；烧灼复合材料，它由各种无机纤维增强树脂或非金属基体构成，可用于高速飞行器头部热防护；摩阻复合材料，它是用石棉等纤维和树脂制成的有较高摩擦系数的复合材料，应用于航空器、汽车等运转部件的制动。功能复合材料由于其涉及的学科比较广泛，已不是单纯的力学问题，需要借助电磁学，化学工艺、功能学等众多学科的研究方法来研究。结构复合材料一般由基体料和增强材料复合而成。基体材料主要是各种树脂或金属材料；增强材料一般采用各种纤维和颗粒等材料。其中增强材料在复合材料中起主要作用，用来提供刚度和强度，而基体材料用来支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷。结构复合材料在工农业及人们的日常生活中得到广泛的应用，也是复合材料力学研究的主要对象，是固体力学学科中一个新的分支。在结构复合材料中按增强材料的几何形状及结构形式又可划分为以下三类： 1．颗粒增强复合材料，它由基体材料和悬浮在基体材料中的一种或多种金属或非金属颗粒材料组合而成。 2．纤维增强复合材料，它由纤维和基体两种组分材料组成。按照纤维的不同种类和形状又可划分定义多种复合材料。图1.1为长纤维复合材料的主要形式。 图1.1

3．复合材料层合板，它由以上两种复合材料的形式组成的单层板，以不同的方式叠合在一起形成层合板。层合板是目前复合材料实际应用的主要形式。本论文的主要研究对象就是长纤维增强复合材料层合板的强度问题。长纤维复合材料层合板主要形式如图1.2所示。 图1.2 一般来说，强度是指材料在承载时抵抗破坏的能力。对于各向同性材料，在各个方向上强度均相等，即强度没有方向性，常用极限应力来表示材料的强度。对于复合材料，其强度的显著的特点是具有方向性。因此复合材料单层板的基本强度指标主要有沿铺层主方向（即纤维方向）的拉伸强度Xt和压缩强度Xc；垂直于铺层主方向的拉伸强度Yt和压缩强度Yc以及平面内剪切强度S等5个强度指标。对于复合材料层合板而言，由于它是由若干个单层板粘合在一起而形成的，而单向复合材料又是正交各向异性材料，层合板的各个铺层的纤维排列方式不相同，可能导致因为受力作用所产生各铺层的变形不一致，因此，其如何决定其最终强度就是一个非常复杂的问题。 复合材料层合板的强度是应用复合材料时所必须研究的关键性问题之一，如何确定其强度是进行复合材料结构设计所必需解决的一个基本问题，是安全可靠合理经济地使用复合材料的基础之一，因此对于复合材料强度的研究是复合材料领域内最早受到重视并开展研究较为广泛的一个基础性工作。但是相对于各向同性材料来说，复合材料，特别是层合板的复合材料的强度研究要困难的多。原因在于影响其强度的因素很多，而其破坏形式又很复杂，实验数据较为分散。同传统的单相材料相比，复合材料强度问题的复杂性在于： (1) 细观结构受力的复杂性。从承受和传递应力系统的角度来看，复合材料可以视为一个“结构”，即由两类“元件”纤维与基体所构成的结构。因此，复合材料的破坏与组分材料的破坏特性有关。一般地说，纤维是刚硬的、弹性和脆

层合板的刚度及强度 (1)

第五章层合板的刚度 5.1 引言 层合板(Laminate)是由多层单向板按某种次序叠放并粘结在一起而制成整体的结构板。每一层单向板(Unidirectional lamina)称为层合板的一个铺层。各个铺层的材料不一定相同，也可能材料相同但材料主方向不同，因而层合板在厚度方向上具有非均匀性。 层合板的性能与各铺层的材料性能有关，还与各铺层的材料主方向及铺层的叠放次序有关。因而，可以不改变铺层的材料，通过改变各铺层的材料主方向及叠放顺设计出所需力学性能的层合板。 与单向板相比，层合板有如下特征： (1) 由于各个铺层的材料主方向不尽相同，因而层合板一般没有确定的材料主方向。 (2) 层合板的结构刚度取决于铺层的性能和铺层的叠放次序，对于确定的铺层和叠放次序，可以推算出层合板的结构刚度。 (3) 层合板有耦合效应，即面内拉压、剪切载荷可产生弯曲、扭转变形，反之，在弯、扭载荷下可产生拉压、剪切变形。 (4) 一层或数层铺层破坏后，其余各层尚可继续承载，层合板不一定失效。因而，对层合板的强度分析要复杂很多。(5) 在固化过程中，由于各单层板的热胀冷缩不一致，在层合板中要引起温度应力，这是层合板的初应力。 (6) 层合板由不同的单层粘结在一起，在变形时要满足变形协调条件，故各层之间存在层间应力。

5.2 层合板的标记 层合板标记是表征层合板铺层铺设参数(层数、铺层材料主方向、铺层纤维种类、铺层次序)的符号。 如图所示，层合板总厚度为h ，有N 个铺层。通常将层合板中面(平分板厚的面)设置为xy 坐标面，z 轴垂直板面。沿z 轴正方向将各铺层依次编号为1～N ，第k 层的厚度为t k 铺设角(纤维与x 轴的夹角)为θk ，其上下面坐标为z k 和z k -1。 x z -k z z k z N z -N z z

复合材料力学2-5章

第二章单向层合板的正轴刚度 本章的一些讲法与讲义次序不同，请同学们注意，另外一些在材料力已阐明的概念，如应力、应变等在这里不再强调，希望大家能自学与复习。 §2—1 正交各向异性材料的特点 ●各向同性材料 ●各向异性材料 我们这里所指的各向异性材料的特点仅仅是指在不同方向上材料的力学性质不同（机械性能）。 ●正交各向异性材料 正交各向异性材料是一种特殊的各向异性材料。 其特点为: 这类材料有三个互相垂直的弹性对称面（与弹性对称面对称的点性质相同），在平行方向上的弹性质(力学特性)均相同。 如多层单向板，当不考虑纤维与基体性质的不均匀性，粘结层又很薄可以忽略，即把它写作“连续匀质”材料看，则三个弹性对称面

分别为：与单层平行的面及与它垂直的纵向、横向的两个切面。板上任何两点，在平行方向上的力学性质是一样的。 把这三个弹性平面相交的三个轴称为弹性主轴，也称为正轴。 下图是一种典型的正交个向异性材料，当厚度很小时可处理为正交个向异性板。 用宏观力学处理连续纤维增强复合材料层压板结构时，总是把单向层板作为基本单元来分析层合板。 层合板的组成 增强纤维排列方向一致所粘合的薄层称单向(单层)板（层），有时把很多单层粘合在一起，各层的纤维排列方向均一致，也称单向板。 正轴的弹性常数 正交各向异性弹性体，1、2、3轴为它的弹性主轴，则沿这三个轴共有9各独立弹性常数。

1E 、2E 、3E ——杨氏模量； 12G 、13G 、23G ——剪切模量； 21v 、31v 、32v ——泊松系数。 21v 表示在1方向拉伸时在2方向产生的收缩效应系数； 同样，12v 表示在2方向拉伸时在1方产生的收缩效应系数。 1221v v ≠ 这点与各向同性材料不同。 并有关系式 212 121E v E v = 313131E v E v = 3 23232E v E v = ∴ 12 v 、13v 、23v 是不独立的系数。 顺便指出，有的文献定义12v 为1方向拉伸时在2方向的收缩系数。 对正交个向异性薄板，在力学分析中可作为平面应力问题处理，此时不考虑板厚方向的弹性效应。 如果设3方向为板厚方向，则上述弹性常数13G 、23G 、31v 、32v 在方程（εσ-关系）中不出现，因此，对这类问题独立的弹性常数只有4个：1E 、2E 、21v 、12G 及关系式： 2 12 121E v E v = 对单向单层板，纤维方向与垂直纤维方向为弹性主轴，分别称为

复合材料力学

3019《复合材料力学》考试大纲 《复合材料力学》全面、系统地阐述了复合材料力学基础、宏观力学和细观力学的基本理论、分析方法和结果，并介绍了混杂复合材料，复合材料疲劳、断裂和连接等专题，以及纳米复合材料、生物／仿生复合材料和智能复合材料等现代新型复合材料及其分析方法。考试内容及要求如下： 第1章单层复合材料的宏观力学分析 平面应力下单层复合材料的应力—应变关系，单层材料任意方向的应力—应变关系 单层复合材料的强度，正交各向异性单层材料的强度理论 第2章复合材料力学性能的实验测定 纤维和基体的力学性能测定，单层板基本力学性能的实验测定，其他力学性能实验 第3章层合板刚度的宏观力学分析 层合板的刚度和柔度，几种典型层合板的刚度计算，层合板刚度的理论和实验比较 第4章层合板强度的宏观力学分析 层合板强度概述，层合板的应力分析，层合板的强度分析，层合板的层间应力分析 第5章湿热效应 单层板的湿热变形，考虑湿热变形的单层板应力—应变关系，考虑湿热变形的层合板刚度关系，考虑湿热变形的层合板应力和强度分析 第6章层合平板的弯曲、屈曲与振动 层合平板的弯曲，层合平板的屈曲，层合平板的振动，层合板中耦合影响的简单讨论 第7章若干专题 混杂复合材料及其力学分析，金属基复合材料和陶瓷基复合材料，纳米复合材料简介，复合材料的疲劳，复合材料的损伤和断裂，复合材料的蠕变，复合材料的连接，横向剪切的影响 第8章复合材料的有效性质和均质化方法 尺度和代表单元的概念，细观过渡方法 第9章单层复合材料的细观力学分析 刚度的材料力学分析方法，强度的材料力学分析方法，短纤维复合材料的细观力学分析，热膨胀的力学分析，刚度的弹性力学分析方法 第10章复合材料线性有效模量预测的近似方法 宏观整体坐标系和局部坐标系，稀疏方法，Mori—Tanaka方法，自洽方法，微分法，广 —1—

abaqus各向异性层合板分析

2009-09-12 10:34 by:有限元来源:广州有道有限元 复合材料是指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料。一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，它改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。复合材料从应用的性质可分为功能复合材料和结构复合材料两大类。功能复合材料主要具有特殊的功能，例如:导电复合材料，它是用聚合物与各种导电物质通过分散、层压或通过表面导电膜等方法构成的复合材料；烧灼复合材料，它由各种无机纤维增强树脂或非金属基体构成，可用于高速飞行器头部热防护；摩阻复合材料，它是用石棉等纤维和树脂制成的有较高摩擦系数的复合材料，应用于航空器、汽车等运转部件的制动。功能复合材料由于其涉及的学科比较广泛，已不是单纯的力学问题，需要借助电磁学，化学工艺、功能学等众多学科的研究方法来研究。结构复合材料一般由基体料和增强材料复合而成。基体材料主要是各种树脂或金属材料；增强材料一般采用各种纤维和颗粒等材料。其中增强材料在复合材料中起主要作用，用来提供刚度和强度，而基体材料用来支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷。结构复合材料在工农业及人们的日常生活中得到广泛的应用，也是复合材料力学研究的主要对象，是固体力学学科中一个新的分支。在结构复合材料中按增强材料的几何形状及结构形式又可划分为以下三类： 1．颗粒增强复合材料，它由基体材料和悬浮在基体材料中的一种或多种金属或非金属颗粒材料组合而成。 2．纤维增强复合材料，它由纤维和基体两种组分材料组成。按照纤维的不同种类和形状又可划分定义多种复合材料。图1.1为长纤维复合材料的主要形式。 图1.1 3．复合材料层合板，它由以上两种复合材料的形式组成的单层板，以不同的方式叠合在一起形成层合板。层合板是目前复合材料实际应用的主要形式。本论文的主要研究对象就是长纤维增强复合材料层合板的强度问题。长纤维复合材料层合板主要形式如图1.2所示。 图1.2