复合材料力学ppt

– 美国国防部委托国家科学研究院发表的“面向21世纪 国防需求的材料研究”报告指出
• 复合材料包括三要素：
• 基体材料 • 增强相 • 复合方式（界面结合形式）
• 复合材料的分类
– 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、碳/ 碳复合材料等
• (美国麻省理工学院材料科学与工程系教授J. P. Clark， 1985)
• 以碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶 纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用 高性能树脂、金属与陶瓷等为基体，制成的具有比玻 璃纤维复合材料更好性能的先进复合材料
• “到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25% 的性能提升，其中陶瓷基和聚合物基复合材料的 密度、刚度、强度、韧性和抗高温能力都可能有 如此大的改善，而被列为最优先发展的材料”。
几何方程
x
u , x
yz
y
v , y
zx
z
w z
,
xy
w y
v z
;
u z
w ; x
v x
u y
.
x
yx
zx
xy y zy
x z
y z
z
变形协调方程
2 x y 2
பைடு நூலகம்
2 y x 2
2 xy xy
2 y z 2
2 z y 2
2 yz yz
2 z x 2
2 x z 2
2 xz zx
• 第二类基本问题
– 在弹性体的全部表面上都给定了位移，要求确 定弹性体内部及表面任意一点的应力和位移
on S :
s
u u*
v v*
w w*
• 第三类基本问题
– 在弹性体的一部分表面上都给定了外力，在 其余的表面上给定了位移，要求确定弹性体 内部及表面任意一点的应力和位移
– 近现代逐步开始主动利用复合材料的功能性
玻璃钢、先进复合材料
天然 复合材料
玻璃钢
先进复合材料 树脂基复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 碳/碳复合材料
智能复合材料 仿生复合材料 功能复合材料 纳米复合材料 生物复合材料 材料复合结构
• 复合材料的内涵不断拓展
– 从宏观尺度的复合到纳米尺度的复合 – 从结构材料到结构功能一体化材料和多功能复
复合材料的应用
国防、航空航天领域——轻质化
增加有效载荷
增加射程和续航能力
减小能耗、降低成本 机动性能和生存能力
降低结构质量 提高结构效率
战略导弹弹头减少1Kg结构 重量，增加射程20Km
战略导弹三级固体火箭 发动机减少1Kg结构重量 ，增加射程16Km
某第三级固体发动机壳体采用碳/ 环氧复合材料后，结构质量由原 来的116千克降为46千克，仅此就
– 按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复 合材料等
• 复合材料关注的性能
− 强度、刚度、耐腐蚀性、疲劳寿命 − 与温度有关的性能和绝热性等 − 其它性能
复合材料的特点
• 可设计性 • 材料与结构的同一性
✓ 复合材料结构设计中包含材料设计
• 材料性能对复合工艺的依赖性 • 复合材料具有各向异性和非均质性的力学
三类基本问题
• 第一类基本问题
– 在弹性体的全部表面上都给定 了外力，要求确定弹性体内部 及表面任意一点的应力和位移
xcons ,x)(yxcons ,y)(zxcons ,z)(Xn xy cons ,x)(ycons ,y)(zycons ,z)(Yn xzcons ,x)(yzcons ,y)(zcons ,z)(Zn
性能特点
复合材料的优点
• 耐疲劳性能好
金属材料疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50%，碳纤维增强树脂基复 合材料的约为70%~80%
• 阻尼减振性能好
基体和纤维界面有较大的吸收振动能量的能力
• 破损安全性好
不会突然丧失承载能力
• 耐化学腐蚀性、电、热性能好
复合材料的缺点
• 界面强度低 • 延展性差，多为脆性材料 • 材料性能的分散性大 • 树脂基复合材料的耐热性较低
各向异性、多相性，内部微结构及其损伤的随 机性，损伤模式的多样性和损伤材料的离散性， 对环境影响的敏感性，材料的可设计性，性能 对制造工艺的依赖性(残余应力，界面结合的影 响等等)
复合材料力学的认识
固体力学：结构受力分析与材料的力学性能 ➢ 弹性力学 ➢ 材料力学
材料学：从材料的物理、化学性质、材料工艺、 结构、组分的角度 ➢ 复合材料学
国防、航空其它领域：
轻型飞机、通用航空领域（70-90%） 直升机（50%-80%） 无人机（50%-80%）
其它领域
• 民用领域 • 基础设施 • 海洋石油工业 • 新能源工业 • 电子信息领域
复合材料应用中的机遇和挑 战！
复合材料在应用中对传统设计理 念所带来的冲击
复合材料的可设计性为材料开发 带来了无限的可能性
• 自然界中普遍存在着天然复合材料
– 树木、骨骼、草茎与泥土复合等 – 天然材料几乎都是复合材料，采取复合的形式
是自然的规律
• 人类利用复合材料的历史经历了古代、 近代和现代三个阶段
– 房屋、纸张……
六千年以前，陕西西安半坡村的仰韶文化住房遗址 说明我国古人已经开始用草混在泥土中筑墙和铺地， 这种草泥就是最原始的纤维增强复合材料，它与现 代高性能纤维增强复合材料非常相似
80 60 40 20
0 0
0,02
0,04
0,06
True strain
各角度弹性模量预测结果对比
各角度弹塑性曲线的预测结果对比
0癬exp 15癬exp 30癬exp 45癬exp 60癬exp 90癬exp 0?Digi 15癬Digi 30癬Digi 45癬Digi 60癬Digi 90癬Digi
x 1 y 2 应力 : z 3 yz 4 zx 5 xy 6
x 1
y 2
应变 :
z 3
yz 2 yz 4
zx 2zx 5
xy 2 xy 6
C
物理方程 同样，可用应力分量表示应变分量：
S
[S]＝[C]-1—柔度矩阵。 同样， [S]也是对称矩阵。
复合材料力学
第一部分 复合材料力学基础 第一章 绪 论
理论力学、弹性力学、材料力学 ✓运动、变形、受力……
✓塑性变形、损伤失效…… ✓均质、各向同性、线弹性……
复合材料力学？ 复合材料？
金属材料 的高峰
四分天下
• 人类历史上的材料应用的四次重大突 破
– 天然材料：新石器时代 – 人工材料：铜器和铁器时代 – 合成材料：塑料、橡胶 – 复合材料：玻璃纤维
x y
z
yz
C C
31 41
C 32 C 42
C 33 C 43
C 34 C 44
C 35 C 45
C C
36 46
z yz
zx
xy
C C
51 61
C 52 C 62
C 53 C 63
C 54 C 64
C 55 C 65
C C
56 66
zx xy
记作{}=[C]{}， [C]—刚度矩阵
将导弹射程提高1000Km以上
国外航空复合材料发展历史
第一阶段
受载不大的
（70年代初完成） 简单零部件
舱门、口盖、整流罩、方 向舵、襟副翼、雷达罩、
起落架舱门
第二阶段
承力大
（80年代初开始） 规模大
尾翼（垂尾、平尾）、前机身段、机翼 ➢F-14 硼/环氧复合材料平尾 ➢F/A-18 机翼 用量13%
由于本身发展的需要，要求力学在微结构的水平 上来研究材料的行为.通过研究微结构的变形、损 伤和破坏对材料宏观性能的影响来指出改进材料 的方向和途径
与其它材料相比，复合材料对力学的这种需求显 得更为迫切
力学工作者对自己提出的要求是同时具备理论、 实验和计算机计算的三个方面的本领，才能应付 复合材料发展中所提出的问题.这些问题
合材料 – 从简单复合到非线性复合效应的复合 – 从复合材料到复合结构 – 从机械设计到仿生设计
•复合材料的定义？
• 复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不 同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原 有组分材料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能 互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材 料的简单混合有本质的区别
✓ 材料数据 • CNT电导率： 200S/m • 界面相电导率：150S/m（用于模拟 隧道效应）
• 数值基体导电性：1E-12S/m
第一部分 复合材料力学基础 第二章 各向异性弹性力学
§2.1 弹性力学基础 §2.2 各向异性弹性体的应力-应变关系 §2.3 正交各向异性材料的工程弹性常数
§2.1 弹性力学基础
– （1994年出版，师昌绪主编《材料大辞典》）
• 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
• 一般一种材料作为基体，其他材料作为增强相 • 一定尺度上的组合
• 先进复合材料（Advanced Composite Materials， 简称ACM）是指加进了新的高性能纤维的而区别 于“低技术”的玻璃纤维增强塑料的复合材料
0,08
多孔陶瓷的脆性断裂研究 ✓ 脆性损伤演化过程（孔隙率30%）
✓ 孔隙率对脆性损伤的影响（孔隙率50%-60%-70%）
玻璃微珠部分替代玻纤纤维
✓ 保证材料刚度下降5%以内 ✓ 材料成本下降20%，工艺时间下降29%