复合材料力学行为研究实验(有试件图)
复合材料力学性能ppt课件

低分子是瞬变过程
(10-9 ~ 10-10 秒)
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力,不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性:
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
( 10-1 ~ 10+4 秒)
.
8
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ~ Td
分解温 度
(1)分子运动机制:整链分子产生相对位移
应变硬化
E D A
D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力. -应变曲线(玻璃态)
20
2.2 高分子材料的力学性能
.
21
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
扭转
F
.
17
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件:一定拉伸速率和温度
.
电子万能材料试验机
18
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
.
19
复合材料的力学模型与实验验证

复合材料的力学模型与实验验证在当今的工程领域中,复合材料凭借其优异的性能,如高强度、高刚度、良好的耐腐蚀性等,得到了广泛的应用。
从航空航天到汽车制造,从体育器材到建筑结构,复合材料的身影无处不在。
然而,要充分发挥复合材料的优势,就必须深入理解其力学行为,并建立准确可靠的力学模型,同时通过实验验证来确保模型的有效性。
复合材料的力学性能与其组成成分、微观结构以及制造工艺等密切相关。
一般来说,复合材料由两种或两种以上具有不同性能的材料组成,如纤维增强复合材料中的纤维和基体。
纤维通常具有较高的强度和刚度,而基体则主要起到传递载荷和保护纤维的作用。
这种复杂的结构使得复合材料的力学行为呈现出明显的各向异性和非线性特征,给力学分析带来了很大的挑战。
为了描述复合材料的力学行为,研究人员提出了各种各样的力学模型。
其中,最常见的有宏观力学模型和微观力学模型两大类。
宏观力学模型将复合材料视为均匀的连续体,通过等效的材料参数来描述其整体的力学性能。
这种模型相对简单,计算效率高,但无法反映复合材料的微观结构特征。
微观力学模型则从复合材料的微观结构出发,考虑纤维和基体的相互作用,能够更准确地预测其力学性能,但计算复杂度较高。
在宏观力学模型中,经典的层合板理论是应用最为广泛的一种。
该理论将复合材料层合板视为由多层单向板叠加而成,通过叠加各层的应力和应变来计算层合板的整体力学性能。
例如,在计算层合板的弯曲刚度时,可以根据各层的纤维方向、厚度和材料参数,利用层合板理论推导出相应的计算公式。
此外,还有一些基于连续介质力学的宏观力学模型,如广义胡克定律的推广形式,用于描述复合材料在复杂应力状态下的力学行为。
微观力学模型则更加注重复合材料的微观结构细节。
其中,代表性体积单元(RVE)方法是一种常用的手段。
通过建立一个能够代表复合材料微观结构特征的体积单元,并对其进行力学分析,可以得到复合材料的等效性能。
例如,对于纤维增强复合材料,可以建立一个包含纤维和基体的 RVE,考虑纤维的形状、分布以及纤维与基体之间的界面结合情况,然后利用有限元方法求解该 RVE 的力学响应,从而获得复合材料的等效弹性模量、强度等参数。
复合材料力学特性的实验研究与分析

复合材料力学特性的实验研究与分析复合材料作为一种新型的材料,具有重量轻、强度高等优点,在航空、汽车、船舶和建筑等领域得到了广泛的应用。
复合材料的力学特性直接影响着其应用效果,因此探究复合材料的力学特性是非常重要的。
本文将介绍复合材料的力学特性实验研究与分析。
一、复合材料的力学特性复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料通过某种方法组合而成的材料。
由于其复杂的组成结构,复合材料的力学特性与金属类材料有很大的差异。
主要表现在以下方面:1. 各向异性复合材料由于其随机堆积的纤维,导致其各向异性的特性明显。
在不同的方向下,其力学性能会有不同的变化。
2. 前向球性复合材料的前向球性表示在纤维层的合成过程中,由于操作失误或其他原因导致其相互之间的位置偏移,从而形成不均匀的结构。
这也是导致各向异性的一个原因。
3. 薄层状结构复合材料的复杂结构形成了一种薄层状的结构,这种结构是由各种不同类型材料组成的3D结构体。
复合材料的这种独特结构使其在随意弯曲和受力时表现出了很强的强度和刚度,成为了代替传统材料的新选择。
二、复合材料的力学试验方法在研究复合材料的力学特性时需要进行力学试验,以获得复合材料力学性能参数。
在复合材料的力学试验中,需要选取合适的试样,考虑到复合材料各向异性的特性,需要选择不同的试样形式和加载方向。
目前,常用的复合材料力学试验方法主要有以下几种:1. 拉伸试验拉伸试验是测量材料拉伸应力、拉伸应变的试验。
在拉伸应力-应变曲线中,可以得到杨氏模数、拉伸强度等材料强度参数。
在复合材料中,需要考虑其各向异性,选择合适的载荷方向和试验条件。
2. 剪切试验剪切试验是测量材料剪切应力、剪切应变的试验。
在复合材料的剪切试验中,需要考虑热应力、交叉连接等因素对复合材料剪切力学特性的影响。
3. 弯曲试验弯曲试验是测量材料弯曲应力、弯曲应变的试验。
在复合材料弯曲试验中,需要考虑其各向异性特性,选择不同的载荷方向和试验条件。
复合材料的动态力学行为研究

复合材料的动态力学行为研究在当今科技飞速发展的时代,复合材料凭借其优异的性能在众多领域得到了广泛的应用。
从航空航天的先进飞行器结构,到汽车工业的轻量化部件,再到体育器材的高性能制造,复合材料的身影无处不在。
然而,要充分发挥复合材料的优势,深入理解其动态力学行为至关重要。
复合材料的动态力学行为,简单来说,就是指材料在受到动态载荷(如冲击、振动等)作用时所表现出的力学特性。
与静态力学行为不同,动态力学行为涉及到时间、频率和应变率等因素的影响,使得材料的响应变得更加复杂和多样化。
为了研究复合材料的动态力学行为,首先需要了解复合材料的组成和结构特点。
复合材料通常由两种或两种以上具有不同性能的材料组合而成,常见的有纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。
以纤维增强复合材料为例,纤维作为增强相,赋予材料高强度和高模量;基体则起到传递载荷、保护纤维和提供韧性的作用。
这种独特的结构使得复合材料在承受动态载荷时,纤维和基体之间的相互作用以及界面性能对其力学响应产生重要影响。
在动态力学行为的研究中,实验测试是获取材料性能数据的重要手段。
常见的实验方法包括霍普金森压杆实验、落锤冲击实验和振动测试等。
霍普金森压杆实验可以测量材料在高应变率下的应力应变曲线,从而了解材料的动态强度和变形特性。
落锤冲击实验则能够直接评估材料的抗冲击性能,包括吸收能量的能力和损伤模式。
振动测试则用于研究材料的固有频率、阻尼特性等动态参数,对于预测结构的振动响应和疲劳寿命具有重要意义。
通过实验测试,我们发现复合材料的动态力学行为具有一些显著的特点。
例如,在高应变率下,复合材料的强度通常会有所提高,这种现象被称为应变率强化效应。
这是由于在快速加载过程中,材料内部的微观结构来不及发生变形和松弛,导致材料的抵抗能力增强。
此外,复合材料的动态力学行为还表现出明显的非线性和粘弹性特征。
非线性意味着材料的应力应变关系不再是简单的线性关系,而是随着载荷的变化而发生复杂的变化。
第十四章 复合材料的力学行为要点

14.4.4
纵向抗压强度
单向复合材料承受压缩载荷时,可将纤维看作在弹性 基体中的细长柱体。若复合材料纤维体积含量很低时, 即使基体在其弹性范围内时,纤维也会发生微屈曲。纤 维的屈曲可能有两种形式(图14-5):
图14-5 纤维 屈曲的两种型 式
(a)“拉压”型; (b)“剪切”型
一种是纤维彼此反向屈曲,使基体出现受拉部分和 受压部分,称为“拉压”型屈曲; 另一种是纤维彼此同向屈曲,形式基体受剪切变形, 称作“剪切”型屈曲。前者出现在纤维体积分数很小
图14-3 基体、纤维应力-应变曲线示意图
图14-3同时绘出了纤维、基体和复合材料的应力- 应变曲线。可以看出,
复合材料的应力-应变曲线处于纤维和基体的应 力-应变曲线之间。
复合材料应力-应变曲线的位置取决于纤维的体 积分数。
如果纤维的体积分数越高,复合材料应力-应变 曲线越接近纤维的应力-应变曲线;
的复合材料之中,而后者出现在大多数常用的复合材 料之中。
14.5 复合材料的横向力学性能
略
14.6 复合材料的面内剪切弹性模量
略
14.7 短纤维复合材料的力学性能
略
14.8 复合材料的断裂、冲击与疲劳性能特点
影响复合材料的断裂、冲击和疲劳性能因素比金属 材料的更多,而且对它们的研究还很不够,此处只介绍 较成熟的一些研究结果。
14.4
14.4.1
复合材料的纵向力学性能
纵向弹性模量
L fbV fb mVm
EL E fbV fb EmVm
(14-4) (14-7)
式(14-4)和(14-7)表明,纤维和基体对复合 材料的力学性能所做的贡献与它们的体积分数成正比, 这种关系称为混合定则(Rule of Mixtures)。显然,
2.5D与2D织物混杂铺设复合材料力学性能实验研究

博士 ・ 专家论 坛
25 .D与 2 D织物混杂铺 设复 合材料力学性雒实验研 穷
上 海飞机 设 计研 பைடு நூலகம் 院 王 盼 乐 南京航 空航 天 大 学机 械 结构 强度 与振 动 国家重 点 实验 室 周光 明
[ 摘 要] 根据 不同铺层方式设计 了五种 25 . D和 2 D织物混杂铺设复合材料 。对五种混杂铺设 复合 材料 经 、 纬向的拉伸 、 压缩 、 间 层 剪切 、 三点 弯曲等性能进行 了实验研究并进行相互对 比。分析 了五种混杂铺设复合材料 经、 纬向性能的差异以及材料 的失效形 式, 得 到了一些有益 的结论 , 为该种材料的结构设计和性能分析 奠定 了重要 的基 础。 [ 关键词 ] 混杂复合材料 25 2 织物 力学性能 实验研 究 .D/D
倾角约为 5。 。
为测试 5 种不 同铺设方式 的层合板 力学性能之间的差异 ,对其进 行 了力学性能试验 , 包括拉伸 、 压缩 、 层间剪切和三点弯 曲试验 。 试验分
别得到层合板的拉伸强度 、 模量和泊松 比 , 强度和模量 以及层 间剪 压缩 切和弯曲强度。 本次试验采用 WD E 0 0微机控 制电子式万能试验机 ,其最大 W— 2 0 拉伸 力可达 2 0 N 最 大拉 伸行程 4 0 m, 大压缩行程 4 0 m, 0k , 0m 最 0 m 有效 试验宽度 55 m,位移分辨 率为 0 1 m 7m . m ,测试 精度 高。应变是 通过 0 Y _3 J 3 数字应 变仪采集 的 , 该仪器性能稳定 , 应变数据误差小于 0 %。 . 5 21拉伸试 验 . 试验前检查试 件外观 : 将合格试件编号 , 划线和测 量试 件工作段任 意三处的宽度和厚度 , 术平均值并做记 录; 取算 把导线 焊接在应变片的 端 子上 , 把试件 上的应 变片与 Y 一 3 J3 数字应变仪联接起来 , 以便读取拉 伸实验进行 中试件 的应 变值 ; 夹持试件 , 使试件 的中心轴线与上 、 下夹 具 的对准中心线 一致 。 若试件在受力过程 中打滑 , 则可在试件两侧垫上 砂 布再夹持 ; 2 m r n 以 r / i 速度施加载荷 , a a 直到破坏 , 逐级( 1%的破坏 约 0 载荷 ) 录相应 的变形值 以及最大破坏载荷值 。 记 有明显内部缺陷或断在 夹 头内的试样予 以作废 。拉伸试件尺寸如图 3 所示。
题目:双稳态复合材料设计及力学 行为研究

本文建立了理论模型来研究双稳态结构折叠与展开过程中的力学变形 理论机制,提出了双稳态结构的控制方程,并采用数值法求解方程;发现了 具有双稳态性质的复合材料结构,其初始横截面圆心角存在最小临界值;讨 论了解的稳定性,给出了两种稳态结构之间的简明关系。
同时还制备了碳纤维/玻璃纤维增强的环氧树脂复合材料薄壳结构,并 对其折叠行为开展了相关的实验研究。发现了±45°方向铺层的结构在弯曲 性能上优于 0/90°铺层结构。提出了新的实验方法和数据处理方式得到了 双稳态结构弯曲时的弯矩和半径变化情况,实验结果与理论模型吻合的很 好。
复合材料界面的微观力学行为研究_单纤维拉出试验_杨序纲

复合材料界面的微观力学行为研究 单纤维拉出试验 *
杨序纲
( 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室 上海 200030 )
袁象恺 潘 鼎
( 中国纺织大学材料科学与工程系 上海 200051 )
文 摘 使用一专门设计的模型制作了碳化硅(Nicalon)/ 玻璃复合材料单纤维拉出试样 。 利用纤维拉 曼峰波数偏移与纤维所受应变的近似线性关系 , 首先测定纤维热残余应变的分布 , 随后对伸出玻璃基体外的 纤维段施加给定的拉伸应变 , 沿纤维轴向用拉曼光谱术逐点测定基体内外纤维的应变 , 最后依据力平衡原理 将应变分布转换为界面剪切应力沿纤维轴向的分布 。 结果表明 :在给出的实验参数下 , 界面传递应力长度为 0 .18 mm , 最大界面剪切应力的位置在 x 为 0 .11 mm 处 。
维的应力分布推算出这两个参数 。 应力分布的测定
在我们的工作之前未见报道 , 在所见到的论文中仅
对应力分布作某些假设 。
最简单的方法是假定剪切应力(τ)沿整个界面 近似不变 。这样就有下式成立 :
F =2πrl cτ
(1)
式中 F 是脱结合或滑移所需的拉力 , r 为纤维半径 ,
l c 是纤维被包埋的长度 。
— 57 —
方向偏移 。峰位置波数与纤维应变的关系见图 2 , 在 图 2 中表明了它们之间的近似线性关系 。 本项工作 的实验部 分使用 了这个 关系 测定单 纤维 Nicalon/ Pyrex 玻璃复合材料拉出过程中纤维的应变分布 。
图 1 自由 状态和拉伸应变为 1.5%时纤维的拉曼 谱
图 2 拉曼波数 与纤维应变间关系
拉出试验给出最直接的测量值 , 对陶瓷基复合材料
更具吸引力 , 因为纤维拉出是控制这类材料韧性的
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复合材料力学行为研究实验一般材料力学研究的是均匀分布、各向同性的材料,但是现在又出现了并且在工程上越来越广泛使用的一种材料叫复合材料。
它是一种各向异性材料。
复合材料是两种或两种以上不同性能的材料用物理或化学方法制成的具有新性能的材料,一般复合材料的性能优于其组分材料的性能。
复合材料在力学行为上有什么特点,各向异性表现在哪些方面?各向异性材料如何测量它的弹性常数,不同纤维铺层方向和不同加载方向的力学性能有何差别,什么是沿轴性态和离轴性态?… 为了便于学生研究探讨这些问题,我们专门加工了一种增强材料沿单向铺层的复合材料板(如图1所示)。
由于是单向增强,所以回避了许多复合材料研究上的复杂问题。
图1 单层复合材料构造形式 图2 坐标定义本试验主要研究的具体材料是玻璃纤维单向增强复合材料。
玻璃纤维的弹性模量约为80~85GPa, 基体是环氧树脂,其弹性模量约为3~5Gpa 。
其纤维与环氧树脂的体积比约为1:1。
同时还提供了双向增强复合材料(正交增强),其两个方向纤维的比例为18:14和部分金属材料。
一.实验原理和试验方法材料的弹性常数是描述材料力学性能的一项基本参数。
作为衡量材料的刚度和弹性变形行为的特征值,它是理论计算和工程设计中一项非常重要的指标。
我们熟知的材料,比如金属材料都是各向同性材料,独立的弹性常数是两个,即扬氏弹性模量E 和泊松比υ(或剪切弹性模量G)。
而复合材料,由于其突出的各向异性的性质,独立的弹性常数增加了。
为了测定复合材料的弹性常数, 将被测材料加工为纤维与加载方向成0°、45°和90°的三种试件。
每种试件的三个方向的应变即纵向应变、横向应变和45゜方向的应变均采用粘贴电阻片的方法测量。
应变片信号按一定的组桥方式接到测量电桥上,可利用数字静态应变仪直接定点读取应变信号或利用数据采集系统自动纪录载荷、应变数据。
对实验数据进行线性回归的处理,按下列公式计算出复合材料的弹性常数:0°试件:111εσ=E 1212εε-=μσX XY 2390°试件: 222εσ=E 2112εε-=μ45°试件: )(24512Y X G ε-εσ= 坐标的定义如图2表示。
耦合切应变是复合材料离轴受力状态下的一个力学特性。
为了研究和测量耦合切应变,在试件上除了在0°、90°方向粘贴应变片以外,我们还专门在45°方向同样粘贴了应变片。
希望学生通过不同方向应变的测量和对测量结果的分析,能够对于复合材料的两种受力状态即沿轴受力状态(0°、90°)和离轴受力状态(45°)的区别和各自的特点有一个认识,能够用实验方法测量出耦合切应变。
1.试件加工将被测复合材料板沿0°、45°和90°三个方向加工成标准的拉伸试件。
试件的形状如图3所示,试件的名义尺寸为厚度t=2.5-5mm 、宽度b=25mm 。
试件两端粘贴金属铝片或玻璃钢片作加强片。
图3 拉伸试件示意图试件名称定义方法如下:1).单向复合材料0°试件-顺纤维方向(纵向);90°试件-垂直于纤维方向(横向);45°试件-与纤维成45°方向(偏轴45°)。
2).正交复合材料0°试件-顺主纤维方向(纵向);90°试件-垂直于主纤维方向(横向);45°试件-与主纤维成45°方向(偏轴45°)。
2.应变测量方法和联线说明试件的应变由电阻应变片测量。
电阻片电阻值为120Ω, 灵敏系数K丝为2.08, 横向修正系数H=1.2%。
电阻片对称粘贴在试件的正反两面,每面布置3个电阻片,方向分别为0°(加载方向)、90°(垂直加载方向)和45°(与加载方向成45°),即为ε0、ε90和ε45。
为便于联线测量,在贴片位置上方固定了联线板和14针插座(参见图3)。
插座的上下两针短接在一起, 使用其中的6组,分别按顺序连接三个方向的电阻片的6个引出线。
测量时,连接上带有14针插头的排线,其插头与插座相连,排线为12线,每相邻两根接在一起,形成6根输出线分别对应三个应变片。
二.实验目的:1.掌握复合材料弹性常数测试方法;2.测定复合材料五项弹性常数,即E1、E2、μ21、μ12和G12;3.认识复合材料各向异性的特点;4.认识复合材料在不同纤维铺层方向和不同加载方向的力学性能;5.研究沿轴性态中E1、E2、μ21、μ12之间的关系;6.研究离轴加载时耦合剪切现象;7.研究耦合切应变的测量方法;三.实验设备及试件1.电子万能试验机2.一组单向增强复合材料试件包括0°、45°和90°三个方向试件,试件上已粘贴好应变片。
4.多通道信号前置放大器及数据采集系统5.多通道数字静态应变仪;5.0.02mm游标卡尺。
四.实验安排本实验要求学生根据给出的实验条件,设计实验方案,自己拆装试件、自己接线和调试仪器和完成整个实验。
实验材料以单向复合材料为主,有正交复合材料和金属材料可以选用。
实验时间为3~4学时。
五.实验步骤参考被测材料是单向增强复合材料,各个方向的试件性能差异很大。
一定要在安装试件和加载过程中注意保护试件。
试验前,要设计好实验所需的数据表格,准确测量试件尺寸,并根据被测材料的许可应力和应变片的应变测量范围, 给出试件的实验最大载荷Pmax。
1.计算机采样方式将正反两面的六个电阻片信号分别接到静态应变仪的六个通道上。
每个通道都备有4个接线端子,分别对应A、B、C、D。
试验采用单臂测量方式,A、B端接工作片,B、C接温度补偿片。
打开计算机电源,在windows环境下运行材力试验教学软件,选择“弹性常数测定实验”自动进入到试验信号显示和试验机控制界面。
在“实验条件”中设置每个接应变片的通道变量性质为“单臂”。
实验前将各通道应变显示值置为零。
选择低速,按“开始”慢速加载,计算机自动采集和记录载荷、位移和六个应变信号,直到达到实验最大载荷。
按“结束”,自动停止加载和采样。
实验结束后,可将数据存为数据文件,将文件复制到软盘中,采用其它软件对数据进行处理,也可转到数据处理界面,观察各关系曲线,有必要可求出所选曲线的斜率,并打印输出。
2.数字应变仪读数方式首先选择接桥方式,然后将应变片引线根据设定的接桥方式接到应变仪桥盒上。
在慢速 下对试件予加载一次,卸载到初载荷。
用分级加载的方式记录5—10组载荷和应变的数据。
选择最好的一组数据,用最小二乘法进行线性回归处理,求出曲线的斜率。
注意要选择合适的加载范围,在最大的实验载荷Pmax 之内,根据具体条件确定初载荷P 0和末载荷P N 。
加载速度要控制好,在接近控制参数时降低加载速度并及时读数。
记录数据时,随时检查应变增量是否符合线性。
试验至少重复两次,如果数据稳定、重复性要好即可。
六.实验数据整理1. 分别对每种试件的载荷与轴向应变数据和轴向应变与横向应变数据用最小二乘法线性回归处理,求出曲线的斜率即E 和μ。
计算出被测材料的E 1、E 2、μ12、μ21和G 12,对计算结果进行分析,讨论E 1、E 2、μ12、μ21四个常数之间有无定量关系;2. 按照被测材料 的参数为玻璃纤维的弹性模量E =85Gpa, 环氧树脂弹性模量E =5Gpa 和纤维与环氧树脂的体积比1:1, 计算材料的弹性模量E 1、E 2理论值,并与实验结果比较,分析造成差别可能的原因。
3. 计算单向复合材料和正交复合材料在P =2KN 时的耦合剪应变γxy ,并说明剪应变是发生在哪种试件上(沿轴状态还是离轴状态),与θ有无关系;从实验数据中能否直接观察或准确测定出耦合剪应变γxy ,实验值与计算值是否一致,误差说明什麽?4. 在坐标纸上绘制被测的玻璃纤维单向复合材料的三个方向试件的初始阶段的应力-应变曲线。
5. 比较复合材料和一般金属材料,说明纤维增强复合材料的特点和各向异性的表现。
6. 整理数据,完成完整的实验报告(注意数据表格化,实验数据完整,分析讨论有一定深度,结论明确。
)八.思考题1. 本试件为板状试件,试件安装不易保证对中,易使试件拉伸时产生附加弯曲,试问,用什么办法减少和消除这种误差。
2. 拉伸试件三个方向的应变即ε0°、ε45°和ε90°之间应该满足什么关系?各向同性材料与各向异性材料有无区别?3. 试验时为什么要加初载P 0?应变初读数ε0的任意设置对本试验的测量结果有无影响?原点如何修正?4. 什么是K 仪?什么是K 丝?如果K 仪与K 丝不一致应如何修正?5. 用电阻片测量复合材料横向应变时,可能横向效应比较大。
如电阻片的横向系数H=1.2%,用计算μ21,μ12,比较修正前后的数据,说明横向效应对计算结果的影响。
预习要求:1. 参看范钦珊老师主编的《材料力学》或《工程力学》中的“复合材料的力学行为”211221ε-εε-ε-=μH H 122112ε-εε-ε-=μH H等内容。