复合材料强度
复合材料的结构与强度
复合材料的结构与强度复合材料（Composite Materials）是指由两种或两种以上不同性质的材料组合而成的新型材料。
它可以充分发挥各种材料的优点，兼顾不同材料的性能要求，从而具备了独特的结构和强度特点。
本文将从复合材料的构成和制备方法、结构、以及其强度方面进行论述。
一、复合材料的构成和制备复合材料通常由纤维增强体和基体两部分组成。
纤维增强体可以是玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等，负责承担载荷；基体则起到支撑和保护纤维的作用，可以是塑料、金属等。
通过将纤维和基体有机地结合在一起，复合材料能够充分利用各个组分的特性，实现性能优异的结构。
制备复合材料的方法主要有层叠法、注塑法和浸渍法等。
层叠法是将纤维和基体逐层叠加，然后进行热压或过热固化，使其形成坚固的结构；注塑法是将纤维与基体混合，然后通过注射或挤出塑料使其形成所需的形状；浸渍法则是将纤维浸泡在基体中，使其充分渗透，然后进行固化。
二、复合材料的结构复合材料的结构可以分为纤维增强体的排列方式和纤维方向两个方面。
纤维增强体的排列方式包括单向排列、交叉排列和随机排列。
单向排列是指纤维沿一个方向进行排列，能够承受沿该方向的载荷最大；交叉排列是指纤维交错穿插在基体中，能够均匀承受载荷；随机排列是指纤维随机分布在基体中，能够增加材料的韧性。
纤维方向是指纤维在基体中的方向分布。
单向纤维材料具有明显的各向异性，只能在纤维方向上承受较大的载荷；而交叉纤维材料因为纤维方向的交叉，可以在多个方向上均匀分布载荷，具有较好的综合性能。
三、复合材料的强度复合材料相对于传统材料具有较高的强度和刚度。
这主要得益于纤维的增强作用和基体的支撑作用。
纤维增强体能够增强材料的强度，使其能够承受较大的拉伸或压缩力。
不同类型的纤维具有不同的优点，如玻璃纤维具有较高的强度和刚度，碳纤维具有轻质且高强度等，通过选择不同的纤维可以得到适用于不同工程领域的复合材料。
基体的作用是支撑纤维，为纤维提供保护。
复合材料的抗拉强度与性能优化
复合材料的抗拉强度与性能优化在当今的工程领域，复合材料凭借其优异的性能，已成为众多应用中的关键材料。
其中，抗拉强度作为衡量复合材料性能的重要指标之一，对于确保材料在各种复杂工况下的可靠性和安全性具有至关重要的意义。
同时，通过一系列的方法和技术对复合材料的性能进行优化，以满足不断增长的工程需求，也是当前研究的热点和重点。
复合材料的抗拉强度主要取决于其组成成分、微观结构以及制备工艺等因素。
首先，组成成分的特性直接影响着复合材料的力学性能。
例如，增强相的强度、刚度和韧性，以及基体相的性能，都会对复合材料的抗拉强度产生显著影响。
以纤维增强复合材料为例，如果纤维具有高强度和高模量，并且与基体之间有良好的界面结合，那么复合材料就能够承受较大的拉伸载荷，表现出较高的抗拉强度。
微观结构方面，复合材料中增强相和基体相的分布、取向以及界面的性质等都会对其抗拉强度产生影响。
均匀且合理的微观结构能够有效地传递载荷，减少应力集中，从而提高抗拉强度。
相反，如果微观结构存在缺陷，如孔隙、夹杂、纤维分布不均等，就会导致应力集中，降低材料的抗拉强度。
制备工艺也是决定复合材料抗拉强度的关键因素之一。
不同的制备方法，如手糊成型、喷射成型、模压成型等，会导致复合材料在微观结构和性能上的差异。
例如，采用先进的制备工艺可以实现更好的纤维浸润和更均匀的微观结构，从而提高复合材料的抗拉强度。
为了进一步提高复合材料的抗拉强度和优化其性能，研究人员采取了多种策略。
在材料设计方面，通过优化增强相和基体相的比例、选择合适的增强材料和基体材料，可以实现性能的定制化。
例如，在航空航天领域，为了满足轻量化和高强度的要求，常常使用碳纤维增强树脂基复合材料，并通过精确的材料设计来达到理想的抗拉强度。
改进制备工艺也是提高复合材料性能的重要途径。
新的制备技术，如自动化纤维铺放、树脂传递模塑等，能够提高生产效率，同时保证复合材料的质量和性能。
此外，对制备过程中的工艺参数进行精确控制，如温度、压力、固化时间等，也有助于获得具有优异抗拉强度的复合材料。
复合材料的特点及应用
复合材料的特点及应用复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的新材料，具有优良的综合性能，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑、体育器材、电子等领域。
复合材料的特点和应用领域有着极其丰富的内容，以下将详细介绍。
一、复合材料的特点1. 高强度和高刚度：复合材料是由不同材料组合而成，可以充分发挥各材料的优点，因此具有很高的强度和刚度。
相较于传统材料，复合材料的强度可以达到甚至超过金属材料，而密度却较低。
2. 轻量化：由于复合材料的密度较低，本身重量很轻，可以有效降低整体产品的重量，对于航空航天、汽车等领域来说，可以减少燃料消耗、提高载重能力。
3. 耐腐蚀性能：复合材料对化学腐蚀和电化学腐蚀具有很好的抵抗能力，能够在恶劣环境下长时间使用，比如在海水中的应用。
4. 自由设计性：复合材料可以通过改变组合材料的种类、布局和结构，实现对材料性能的调控，从而满足不同工程应用的要求。
5. 热性能和隔热性能：复合材料具有较好的耐高温性能和隔热性能，能够在高温环境下保持稳定性能。
6. 高成型性：复合材料可以通过模压、注塑等成型工艺制成各种复杂形状的产品，成型性能很好，可以满足复杂结构产品的需求。
二、复合材料的应用1. 航空航天领域：复合材料在航空航天领域得到了广泛的应用，如飞机机身、翼面、动力部件等。
由于其轻量化和高强度的特点，可以有效降低飞机的自重，提高机身结构的强度和刚度，使飞机更节能、更安全。
2. 汽车工业：随着对汽车轻量化和节能化要求的提高，复合材料在汽车制造领域得到了越来越多的应用。
碳纤维复合材料在汽车制造中尤为突出，可以用于汽车车身、悬挂系统、发动机零部件等，能够提高汽车的整体性能和安全性。
3. 建筑领域：复合材料在建筑领域的应用包括建筑结构、装饰材料等，如玻璃钢、碳纤维等材料广泛用于桥梁、楼梯、管道等建筑结构部件中，其轻量化、耐腐蚀和耐久性能得到了充分发挥。
4. 体育器材：复合材料在体育器材领域应用广泛，如高尔夫球杆、网球拍、滑雪板等，这些产品因为采用了复合材料，具有轻量化、高强度和高刚度等优点，在提高运动员表现的也增加了器材的耐用性。
复合材料强度检测常用方法
复合材料强度检测常用方法一、引言复合材料广泛应用于航空、航天、汽车、建筑等领域，其性能与质量的检测是保证产品质量的重要环节之一。
其中，强度检测是复合材料性能检测的重要内容之一。
本文将介绍复合材料强度检测的常用方法，包括拉伸试验、剪切试验、弯曲试验、扭曲试验、压缩试验等。
二、拉伸试验拉伸试验是复合材料强度检测中最常用的方法之一，也是最基本的试验方法之一。
该试验方法通过施加拉伸荷载，使试样发生拉伸变形，从而获得试样的拉伸强度、弹性模量、屈服强度等力学性能参数。
1. 试样制备拉伸试验的试样形状为矩形条形，标准尺寸为25mm×250mm，以纤维方向为长度方向。
试样应当在同一工艺条件下制备，以保证试样的一致性。
2. 试验设备拉伸试验需要用到拉伸试验机，该设备能够施加稳定的拉伸荷载，同时具备高精度的位移测量系统，以便实时监测试样的变形情况。
3. 试验步骤（1）将试样安装在拉伸试验机上，并调整试验机的夹持装置，使试样处于合适的位置。
（2）设置试验机的拉伸速度和荷载范围。
（3）启动试验机，逐渐施加拉伸荷载，同时记录试样的变形情况和荷载变化情况。
（4）直至试样断裂，停止试验。
4. 试验结果分析拉伸试验得到的结果包括试样的最大拉伸强度、屈服强度、弹性模量等参数。
通过对试验结果的分析，可以评估复合材料的强度性能和应力-应变曲线的特征。
三、剪切试验剪切试验是复合材料强度检测中常用的试验方法之一，该试验方法通过施加剪切荷载，使试样发生剪切变形，从而获得试样的剪切强度、剪切模量等参数。
1. 试样制备剪切试验的试样形状为矩形条形，标准尺寸为25mm×250mm，以纤维方向为长度方向。
试样应当在同一工艺条件下制备，以保证试样的一致性。
2. 试验设备剪切试验需要用到剪切试验机，该设备能够施加稳定的剪切荷载，同时具备高精度的位移测量系统，以便实时监测试样的变形情况。
3. 试验步骤（1）将试样安装在剪切试验机上，并调整试验机的夹持装置，使试样处于合适的位置。
复合材料的抗拉强度与应用分析
复合材料的抗拉强度与应用分析在当今的材料科学领域，复合材料因其独特的性能而备受关注。
其中，抗拉强度是评估复合材料性能的关键指标之一，它在很大程度上决定了复合材料在各种应用中的表现和适用性。
要理解复合材料的抗拉强度，首先得明白什么是复合材料。
简单来说，复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成的一种新型材料。
这些组成材料在性能上相互补充，从而使复合材料具备了单一材料所难以达到的优越性能。
复合材料的抗拉强度受到多种因素的影响。
其中，增强材料的性质和含量是最为关键的因素之一。
常见的增强材料如碳纤维、玻璃纤维等，它们具有高强度和高模量的特点。
当这些增强材料在复合材料中的含量增加时，通常会显著提高复合材料的抗拉强度。
然而，并非增强材料含量越高越好，超过一定比例后，可能会因为增强材料的团聚或者分布不均匀等问题，导致抗拉强度不再增加甚至下降。
复合材料中基体材料的性质也对其抗拉强度有着重要影响。
基体材料起到将增强材料粘结在一起，并传递载荷的作用。
不同的基体材料，如树脂、金属等，其自身的强度、韧性和与增强材料的结合能力都有所不同。
例如，树脂基体在固化过程中的交联程度会影响其强度和韧性，进而影响复合材料的整体抗拉强度。
此外，增强材料与基体材料之间的界面结合强度也是一个不能忽视的因素。
良好的界面结合能够有效地传递应力，提高复合材料的抗拉强度。
界面结合强度受到多种因素的影响，包括表面处理、化学相容性等。
通过对增强材料进行表面处理，如氧化、涂层等，可以改善其与基体材料的界面结合，从而提高复合材料的抗拉强度。
复合材料的制备工艺同样会对其抗拉强度产生影响。
制备过程中的温度、压力、成型方法等参数的控制，都会直接影响到复合材料的微观结构和性能。
例如，在热压成型过程中，如果温度和压力控制不当，可能会导致基体材料固化不完全或者产生内部缺陷，从而降低复合材料的抗拉强度。
了解了影响复合材料抗拉强度的因素，接下来看看它在实际应用中的表现。
复合材料的抗拉强度与性能研究
复合材料的抗拉强度与性能研究在当今科技飞速发展的时代，复合材料凭借其卓越的性能在众多领域崭露头角。
其中，抗拉强度作为衡量复合材料性能的关键指标之一，备受关注。
为了更深入地了解复合材料的性能特点，我们有必要对其抗拉强度展开一番探究。
复合材料，顾名思义，是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学的方法组合而成的一种新型材料。
它结合了组成材料的优点，弥补了单一材料的不足，从而展现出独特的性能优势。
而抗拉强度，简单来说，就是材料在拉伸过程中能够承受的最大拉力，反映了材料抵抗断裂的能力。
复合材料的种类繁多，常见的有纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层合复合材料等。
以纤维增强复合材料为例，其通常由高强度的纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）嵌入到基体材料（如树脂）中形成。
在这种结构中，纤维承担了主要的拉力，而基体则起到传递和分散应力的作用。
由于纤维的高强度特性，使得纤维增强复合材料具有出色的抗拉强度。
影响复合材料抗拉强度的因素众多。
首先是增强材料的性能和含量。
增强材料的强度越高、含量越大，复合材料的抗拉强度往往也越高。
例如，碳纤维的强度远高于玻璃纤维，因此碳纤维增强复合材料的抗拉强度通常优于玻璃纤维增强复合材料。
其次，基体材料的性能也至关重要。
良好的基体材料能够有效地将载荷传递给增强材料，并与增强材料形成良好的界面结合，从而提高复合材料的整体抗拉强度。
此外，复合材料的制造工艺也会对其抗拉强度产生影响。
制造过程中的温度、压力、固化时间等参数如果控制不当，可能会导致材料内部出现缺陷，如孔隙、裂纹等，从而降低抗拉强度。
为了准确测定复合材料的抗拉强度，需要采用一系列专业的测试方法和设备。
常见的测试方法包括拉伸试验、三点弯曲试验等。
在拉伸试验中，将复合材料制成标准试样，然后在万能试验机上进行拉伸，通过测量试样在拉伸过程中的载荷和变形，计算出抗拉强度。
测试过程中，需要严格控制试验条件，确保测试结果的准确性和可靠性。
复合材料的优异抗拉强度使其在航空航天、汽车、船舶、体育器材等领域得到了广泛的应用。
复合材料中的材料力学性能分析
复合材料中的材料力学性能分析复合材料是由两种或两种以上不同材料组合而成的新材料，其具有优异的力学性能，如高强度、高刚度、低密度等。
因此，对复合材料的力学性能进行分析，对于材料的设计、制备、应用等方面具有重要意义。
本文将从两个方面对复合材料中的材料力学性能进行分析：材料力学性能评价和材料力学性能分析方法。
一、材料力学性能评价材料力学性能评价是对复合材料力学性能进行定量评估和比较的过程。
常用的力学性能指标包括强度、弹性模量、断裂韧性、疲劳寿命等。
1. 强度：强度是材料抵抗外部载荷而产生破坏的能力。
在复合材料中，强度可以分为拉伸强度、压缩强度、剪切强度等。
通过力学试验，可以测定复合材料在不同载荷下的强度，并进行比较和评价。
2. 弹性模量：弹性模量反映了材料在受力时的变形能力。
对于复合材料来说，弹性模量通常通过静态拉伸试验中的应力-应变曲线来计算。
弹性模量高，表示材料具有较好的刚度特性。
3. 断裂韧性：断裂韧性是材料抵抗断裂的能力。
在复合材料中，断裂韧性的评价可以通过冲击试验或断裂韧性试验来进行。
断裂韧性高的材料具有抗冲击、抗断裂的能力。
4. 疲劳寿命：疲劳寿命是材料在交变载荷下能够承受的循环次数。
复合材料的疲劳寿命是指在特定应力水平下，材料能够进行多少次完全循环才会发生失效。
通过疲劳试验可以评估复合材料的疲劳性能。
二、材料力学性能分析方法要进行复合材料的力学性能分析，需要使用一些合适的试验方法和数值模拟技术，以下是常用的材料力学性能分析方法：1. 静态力学试验：静态力学试验是研究材料在静态加载下的力学性能的基本方法。
通过服从背景的应力-应变关系曲线可以获得弹性模量和屈服强度等性能参数。
2. 动态力学试验：动态力学试验是研究材料在动态加载下的力学性能的方法。
冲击试验和振动试验是常用的动态力学试验方法，可以评估复合材料在冲击或振动环境下的力学性能。
3. 数值模拟：数值模拟是通过计算方法来预测和分析材料力学性能的方法。
复合材料强度
复合材料强度复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的新材料，具有比单一材料更优异的性能。
在工程领域中，复合材料被广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑结构等领域。
其中，复合材料的强度是一个非常重要的参数，它直接影响着材料的使用性能和安全性。
本文将对复合材料强度进行深入探讨。
首先，复合材料的强度受到多种因素的影响。
其中最主要的因素之一是纤维的类型和含量。
一般来说，复合材料中的纤维越多，强度越大。
而不同类型的纤维，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，其强度和性能也各有不同。
此外，树脂基体的质量和填充物的选择也会对复合材料的强度产生影响。
因此，在设计复合材料时，需要综合考虑这些因素，以求得最佳的强度性能。
其次，复合材料的强度测试是非常重要的。
常见的测试方法包括拉伸测试、压缩测试、弯曲测试等。
这些测试可以帮助工程师们了解复合材料在不同载荷下的性能表现，从而为工程设计提供依据。
此外，还可以通过有限元分析等计算方法对复合材料的强度进行预测和优化，以提高材料的使用寿命和安全性。
另外，复合材料的强度设计需要考虑到实际工程应用中的各种复杂载荷和环境条件。
例如，在航空航天领域，复合材料的强度设计需要考虑到飞机在高速飞行和恶劣气候条件下的受力情况，以确保飞机结构的安全可靠。
因此，工程师们需要充分了解复合材料的强度特性，结合实际工程需求进行合理的设计和选择。
最后，复合材料的强度改进是一个持续不断的过程。
随着科学技术的不断进步，新的复合材料和强度改进技术不断涌现。
例如，纳米复合材料、层合复合材料等新型材料的出现，为提高复合材料的强度提供了新的途径。
同时，新的强度测试方法和仿真技术的发展也为复合材料的强度改进提供了有力支持。
因此，工程师们需要密切关注复合材料领域的最新发展，不断学习和探索，以不断提高复合材料的强度和性能。
综上所述，复合材料的强度是一个复杂而重要的问题，它受到多种因素的影响，需要进行科学的测试和设计，并且需要不断改进和提高。
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y s x
y
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第五章 复合材料强度
Chap. 05
5.2 最大应力准则和最大应变准则 （1）最大应力准则
在偏轴应力σ1作用下：
x 1 cos2 , y 1 sin2 , s 1 sin cos
1
Xt cos2
或
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第五章 复合材料强度
Chap. 05
5.4 蔡—吴（Tsai-Wu）张量多项式准则 确定Fxy值的实验方法：
① 45°偏轴拉伸
Fxy
2 T2
1
T 2
1 Xt
1 Xc
1 Yt
1 Yc
T2 4
1 Xt Xc
1 YtYc
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2
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第五章 复合材料强度
5.1 概论
各向同性材料
只有一个强度指标（无方向性），且拉压强度相同。
Chap. 05
塑性材料：屈服极限σs或强度极限σb 脆性材料：强度极限σb
剪切强度τs=0.5~0.6 σs
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3
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第五章 复合材料强度
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Chap. 05 21
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第五章 复合材料强度
Chap. 05
5.4 蔡—吴（Tsai-Wu）张量多项式准则
剪应力为+σs 时：
Fxx
2 x
2Fxy x y
Fyy
2 y
Fss
2 s
2Fxs xs
2Fys ys
Fx x
Fy y
2 y
Fss
2 s
2Fxs
x
s
2Fys
y s
Fx x Fy y Fs s 1
Fij和Fi称为材料的强度参数
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第五章 复合材料强度
5.4 蔡—吴（Tsai-Wu）张量多项式准则
y +σs
y -σs
x
x
(a)
(b)
正轴坐标系下的剪应力方向 (a) 剪应力为+σs；(b) 剪应力为-σs
第五章 复合材料强度
Chap. 05
5.2 最大应力准则和最大应变准则
（2）最大应变准则
单向拉伸时：
Xt
Xt Ex
,
Y t
Yt Ey
,
S max
S Es
单向压缩时：
Xc
Xc Ex
,
Y c
Yc Ey
强度条件：
x vx y X t , x vx y X c y vy x Yt , y vy x Yc
Y
2
1 Z2
1 X2
L
1 2P2
,
M
1 2R2
,
N
1 2S 2
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Chap. 05 17
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第五章 复合材料强度
5.3 蔡—希尔（Tsai-Hill）强度准则
Chap. 05
单向纤维复合材料是横观各向同性材料，即Z=Y
1
1
11
H 2X 2 , F 2X 2 , G Y2 2X 2
1
Yt s in 2
或
1
Xc
cos2
1
Yc
sin 2
1
S
sin cos
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第五章 复合材料强度
5.2 最大应力准则和最大应变准则 （1）最大应力准则
局限性：
Xt
S
cos2 sin cos
tg S
Xt
对玻璃/环氧复合材料，θ≈4°， 即当θ>4°时材料将发生剪切破坏。
2 zx
2N
2 xy
1
F
H
2 x
F
G
2 y
H
G
2 z
2H
x
z
2G
y
z
2F
y
x
2L
2 yz
2M
2 zx
2
N
2 xy
1
F、G、H、L、M、N称为各向异性系数， σx，σy，σz，τxy，τxz，τyz是材料主方向上的应力分量。 正交各向异性材料主方向的基本强度为X、Y、Z、P、R、S。
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Chap. 05
第五章 复合材料强度
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5.1 概论
第五章 复合材料强度
强度: 泛指材料的承载能力，通常用材料失效(破坏)时
的应力值来表示。
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影响因素：
材料本身的固有性质 载荷条件（静态、动态，简单、复杂载荷） 环境因素（湿热条件、介质情况等）
3
2 xy
2 T
1
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第五章 复合材料强度
Chap. 05
5.3 蔡—希尔（Tsai-Hill）强度准则
对于材料主轴方向拉压强度相等的正交异性材料:
F x y
2 Gy
z
2 H
z x
2
2L
2 yz
2M
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5.1 概论
第五章 复合材料强度
Chap. 05
强度准则方程需满足： 须有界（应力空间）， 3） 形式简单便于工程应用， 4） 能反映材料的特性。
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第五章 复合材料强度
5.3 蔡—希尔（Tsai-Hill）强度准则
2 x
X2
1 x
r X
y
Y
Y
2 y
2
1
2 x
X2
1 x
r X
y
Y
Y
2 y
2
2 s
S2
1
蔡—希尔准则强度包络线
2020/3/11 (a) r值对包络椭圆的影响；(b) σs值对包络椭圆的影响
2
y z
2
z x
2
6
2 xy
6
2 yz
6
2 zx
2T2
式中：σT为单向拉伸时的材料强度
平面应力状态（x-y平面）：
x
y
2
2 y
x2
6
2 xy
2
2 T
x T
2
x
2 T
y
y T
2
1 S2
② 45°偏轴压缩
Fxy
2 C2
1
C 2
1 Xt
1 Xc
1 Yt
1 Yc
C2 4
1 Xt Xc
1 YtYc
1 S2
③ 45°正向剪切
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Fxy
1 2V 2
1
V
,
Fx
1 Xt
1 Xc
（2）横向拉伸和压缩试验
FyyYt2 FyYt 1, FyyYc2 FyYc 1
Fyy
1 YtYc
,
Fy
1 Yt
1 Yc
（3）平面剪切试验
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Fss
1 S2
Chap. 05 23
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第五章 复合材料强度
5.4 蔡—吴（Tsai-Wu）张量多项式准则
19
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第五章 复合材料强度
5.4 蔡—吴（Tsai-Wu）张量多项式准则
Chap. 05
Fi i Fij i j Fijk i j k 1
平面应力状态，i，j，k=x，y，s， 且仅取张量多项式的前两项。
Fxx
2 x
2Fxy
x
y
F y y
确定Fxy值的实验方法：原则上应采用双轴应力实验
T
C
V
V’
45°
45°
Chap. 05
P
P’
蔡确定Fxy值的6种实验方案
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第五章 复合材料强度
Chap. 05
5.4 蔡—吴（Tsai-Wu）张量多项式准则
确定Fxy值的实验方法： ① 45°偏轴拉伸，应力状态 ② 45°偏轴压缩，应力状态 ③ 45°正向剪切，应力状态
x
y
s