界面力学报告

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摘要:

通过对复合材料界面力学问题基础知识以及基本概念的认识和理解;总结聚合物/金属基复合材料界面的处理方法,并分析处理前后界面力学性能和导热性能的变化,并在此基础上分析是哪些原因导致这些复合材料界面力学性能和导热性能的改变,同时还对界面性能测定所要用到的实验设备以及测试手段进行了总结。

关键词:复合材料界面力学性能导热性能

一.基本概念的介绍:

1. 界面及界面相

界面是将不同的材料紧密的粘合起来所产生,并借此传递应力。把两种材料结合在一起的界面力可以是范德华力、化学键、机械互锁、静电吸引或以上力的协同作用。界面相具有一定的厚度,一般认为在几个分子层的厚度范围内。界面相虽然很薄,但是其结构是很复杂的。界面相从结构来分,这一界面相由5个亚层组成(如图1所示),每一亚层的性能均与基体和增强体的性质、偶联剂的品种和性质、复合材料的成型方法等密切相关界面结构主要指界相区的结构,也包含邻近界相区的基体和增强体的结构。而且,随环境条件的改变,复合体系中的界面区结构可以发生变化。如温度的改变,可以改变两组分间的相互作用,从而导致界面层厚度、化学结构和界面效应(如应力传递)等的改变。通常复合材料界面除了在性能和结构上不同于相邻两组分外,还具有以下特点:(1)具有一定厚度;(2)性能在厚度方向上有一定的梯度变化;(3)随环境条件变化而改变。

图1增强体与基体界面区示意图

2. 界面粘合理论主要有化学键理论、浸润理论、变形层理论和抑制层理论。

2.1 化学键理论认为两种材料在接触时,如二者表面的官能团能发生化学反应,就会生成化学键结合而形成具有一定结合强度的界面,从而有效防止裂纹扩展,抵抗应力破坏。2.2 浸润理论认为,两种材料可以依靠机械互锁粘合在一起,即一种材料在固化中浸入到另一材料的空隙和凹凸处形成机械锚定,从而形成有效界面结合。但是,如果两种材料的热膨胀系数相差较大,当二者粘合连接后,会在界面上产生使其发生破坏的附加应力,在外载荷作用下还会在界面上出现应力集中现象,从而导致界面成为复合材料的薄弱环节。

2.3 变形层理论认为,通过使用处理剂在两种材料的界面上形成一层热膨胀系数与二者都能较好匹配的塑性层,就能够松弛界面上的附加应力,减少界面应力集中现象。

2.4 抑制层理论则认为,处理剂应是介于高模量和低模量材料之间的中模量物质,它作为界面相的一部分,能够均匀传递应力并减小应力集中现象。

3.界面效应可以归纳为4类:

3.1 分割效应,一个连续体被分割成许多区域,每个区域的尺寸、中断强度、分散情况等会对基体的力学性能产生影响;

3.2 不连续效应,在界面上引起物理性质的不连续性和界面摩擦出现的现象,如电阻、介电特性、磁性、耐热性、尺寸稳定性等;

3.3 散射和吸收效应,光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生的散射和吸收,如透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性及耐热冲击性等;

3.4 感应效应,在界面上产生的感应效应,特别是应变、内应力和由此出现的现象——高的弹性、低的热膨胀性、耐冲击性和耐热性等。

二.界面优化方法(碳纤维/环氧复合材料界面性能优化为例)

1.碳纤维增强体表面改性

1.1 气相氧化法

气相氧化是采用氧化性气体或其混合物对碳纤维进行表面处理,在碳纤维表面引入极性基团,并增加碳纤维表面的粗糙度,从而有效提高碳纤维与环氧树脂的界面结合强度。常用的氧化性气体有氧气、空气、臭氧等。有学者利用臭氧对碳纤维进行表面氧化处理,结果表明臭氧氧化后的碳纤维表面羟基和醚基官能团含量增加,处理后的碳纤维与环氧树脂复合,其层间剪切强度较处理前提高了35%。气相氧化原料易得,操作简单,易于实现工业化。但是对碳纤维的拉伸强度有一定损伤,且碳纤维表面处理效果会随纤维种类和处理温度而发生变化,不易控制表面处理质量。

1.2 液相氧化法

液相氧化是采用液态氧化剂对碳纤维进行表面处理,在碳纤维表面引入羧基、羟基及其他活性基团,同时增加碳纤维表面的沟壑数量和深度,以达到提高碳纤维与环氧树脂界面结合力的效果。常用的液态氧化剂主要有硝酸、酸性重铬酸钾、酸性高锰酸钾、次氯酸钠、过氧化氢、过硫酸钾等。有学者研究硫酸/硝酸混合液对碳纤维的影响,结果表明经处理后碳纤维表面活性官能团含量增加且表面粗糙度提高,有效改善了碳纤维与树脂的界面性能。液相氧化法较气相氧化法温和,对碳纤维表面的刻蚀效果较为适当。但是氧化工艺较难控制,氧化时间较长。

1.3 电化学氧化法

电化学氧化是通过电解反应,利用碳纤维自身的导电特性,在碳纤维表面引入极性基团,增加碳纤维表面粗糙度,从而提高碳纤维与树脂基体的界面结合强度。在电化学反应中碳纤维一般作为阳极使用。电解液的选用范围较宽,酸、碱和盐类电解质均可采用,但是电解液种类对碳纤维表面产生的活性基团有很大影响。有研究指出,经过电化学氧化处理,会使碳纤维表面的沟槽加深变宽,使碳纤维表面粗糙度增加,有利于环氧树脂浸润碳纤维。另一方面,碳纤维表面含氧官能团数量大幅增加,提高了碳纤维与环氧树脂界面的化学键合能力。从而有效提高了碳纤维与环氧树脂的界面结合强度,宏观表现为复合材料的层间剪切强度较于处理前提高了31.7%。电化学氧化法的氧化过程较缓和,易于控制,可实现连续化大批量生产。

1.4 等离子体接枝法

等离子体接枝法是利用等离子体处理碳纤维表面,引发碳纤维表面的化学反应,在碳纤维表面产生活性基团,从而起到改善纤维/树脂界面性能的作用。等离子体接枝法包括高温和低温两种方式。如采用低温方式,能够有效减小纤维的损伤程度,有利于保持碳纤维的高强度性能。但是等离子体接枝法需用的设备复杂,不易于实现对碳纤维进行连续和稳定的表面

处理。有学者以马来酸酐为接枝单体,采用等离子体接枝法对碳纤维织物进行表面处理,结果表明碳纤维表面活性基团数量增加,碳纤维/环氧树脂复合材料的层间剪切强度显著提高,其界面性能得到有效改善。

1.5 表面涂层处理

由于碳纤维与环氧树脂的热膨胀系数相差较大,在复合材料固化过程中,二者界面上会产生附加应力,从而降低碳纤维与基体的界面性能。通过有效的手段在碳纤维表面生成一层与碳纤维和树脂基体的热膨胀系数匹配性好、既能润湿纤维又能润湿基体且具有一定厚度的涂层,就能起到减少界面应力的作用,从而达到改善碳纤维和基体界面性能的目的,此法即为碳纤维表面涂层处理法。此法可以通过多种方式实现。如:化学气相沉积、表面电聚合、偶联剂涂层、聚合物涂层、表面生成晶须、热解涂层等。

1.6 超临界流体法

超临界流体是存在于气和液体状态以外的第三流体,兼具气体和液体的特性。超临界流体法是利用适当的超临界流体对碳纤维表面进行物理刻蚀,增加碳纤维表面的粗糙度,通过增加碳纤维与环氧树脂之间的机械咬合作用以提高二者的界面结合力。常用的超临界流体有二氧化碳、水、过氧化氢等。有学者采用超临界二氧化碳对碳纤维进行处理,结果表明经过超临界二氧化碳处理后,碳纤维表面沟槽变得深而宽且数量增多,表面粗糙度明显增加。超临界二氧化碳处理能够显著提高碳纤维/环氧复合材料的界面结合强度,其界面剪切强度和层间剪切强度分别提高了25.19%和17.11%。有学者利用超临界水和含氧超临界水对碳纤维进行表面处理,研究指出两种处理方法均可增加碳纤维表面粗糙度,并提高碳纤维表面含氧基团的含量。经超临界水和含氧超临界水处理后,碳纤维/环氧复合材料的界面剪切强度较未改性前分别提高10%和75%。超临界流体法属于较新的碳纤维表面处理方法,有关此法的报道较少,目前尚处于研究阶段。

1.7 超声氧化法

超声氧化法是利用超声波在液体介质中产生的―空化作用‖对碳纤维进行表面处理,增加纤维表面活性基团数量和表面粗糙度。此法通过改变超声功率和处理时间来控制碳纤维的表面改性效果。介质一般可选用酸性液体。有研究表明,碳纤维以混酸为液体介质经过超声氧化处理后,其表面沟槽数量和酸性官能团含量均增加。与未处理的碳纤维相比,经超声处理的碳纤维与环氧树脂结合后,其界面剪切强度显著提高33%。超声氧化法设备简单无污染,但是目前尚属于实验研究阶段。

1.8 γ-射线辐照法

γ-射线辐照法是利用γ-射线高能辐照接枝技术辅以适当的接枝液对碳纤维表面进行处理,提高碳纤维表面粗糙度并增加其表面含氧官能团数量,从而改善碳纤维与环氧树脂的界面结合效果。有学者以环氧氯丙烷为接枝液,对碳纤维进行γ-射线辐照处理,结果表明γ-射线辐照法能够将环氧氯丙烷分子有效地接枝于碳纤维表面上,使碳纤维表面粗糙度和含氧官能团数量均有所增加,经处理后碳纤维/环氧复合材料的层间剪切强度可提高29.5%。同时研究也指出,γ-射线辐照剂量对碳纤维表面处理效果有很大影响,如过度辐照会降低碳纤维和环氧树脂的界面结合强度。值得一提的是,从研究结果发现经过适当辐照处理,不但可以使碳纤维表面粗糙度和活性基团数量增加,而且碳纤维自身的抗拉强度也会随之明显提高。相较于会损伤碳纤维的表面处理方法,这是此表面处理方法的一大优势。γ-射线辐照法效率高和节能环保,且在室温下无需催化剂即可引发化学反应,目前已广泛应用于聚合物和复合材料领域。

1.9 分子自主装法

分子自主装法是将碳纤维表面金属化后,利用化学吸附作用在其表面形成二维有序和紧密排列的纳米超薄膜,在碳纤维表面引入能与环氧树脂有效结合的活性基团,从而提高碳纤维

/环氧复合材料的界面性能。有学者利用分子自主装法改性碳纤维,在碳纤维表面吸附带不同末端官能团的芳基硫醇,结果表明碳纤维/环氧复合材料的界面剪切强度较未处理的分别提高14.49%和19.63%,碳纤维和环氧树脂的界面结合性能得到有效提高。研究还表明,芳基硫醇的分子链越长,芳基分子在碳纤维表面排列越紧密,活性官能团含量越高,碳纤维与环氧树脂的界面性能越好。

1.10 碳纳米管涂层法

碳纳米管因其优异性能和小尺寸效应,在科学界一直备受关注。近年来,很多国内外学者尝试利用化学沉积法、电泳沉积法或其它有效方法在碳纤维表面沉积或生长碳纳米管,以此改善碳纤维与环氧树脂的界面性能。有学者采用电泳沉积法在碳纤维表面形成均匀的碳纳米管膜层,结果表明利用碳纳米管改性碳纤维表面,能够降低碳纤维的表面能,改善碳纤维对环氧树脂的浸润性,从而有效改善碳纤维/环氧树脂界面性能,其界面剪切强度较未性碳纤维/环氧复合材料提高68.8%。另外值得注意的是,经此法处理的碳纤维,不但没有发生强度损失,还进一步提高了碳纤维的拉伸强度和模量。Toshiya Kamae等利用碳纳米管对碳纤维进行表面处理,将碳纤维浸入良好分散的碳纳米管水溶液中,在碳纤维表面沉积碳纳米管涂层。结果表明碳纤维表面的碳纳米管能够提高碳纤维与环氧树脂之间的应力传递,有效改善复合材料的界面剪切强度。

1.11 高温高压氨溶液法

高温高压氨溶液法是将碳纤维浸入氨溶液并在高温高压条件下进行处理,为碳纤维表面引入活性官能团并增加其表面粗糙度的一种改性方法。L. H. Meng等采用高温高压氨溶液法对碳纤维进行表面改性处理,结果表明经处理后碳纤维表面发生物理刻蚀,羰基和羧基等活性官能团含量增加。经不同温度和时间处理后,碳纤维/环氧复合材料的界面剪切强度和层间剪切强度提高程度可分别达66.61%和16.93%。但是由于此法使碳纤维表面被刻蚀,随处理条件不同,其单丝强度会有不同程度的下降。

2.环氧树脂基体改性

环氧树脂是具有良好粘接性、耐热性、耐腐蚀性、强度高、加工性能好、价格低廉等诸多优点的一种热固性树脂,在航空航天、建筑、机械、电子仪表等领域都有广泛应用。但是环氧树脂固化后脆性大、易开裂和对纤维增强体浸润性差,导致环氧树脂与纤维界面性能薄弱,因此环氧树脂增韧改性一直都是学者们的研究热点。现阶段主要是通过在环氧树脂中引入各类填充物,以达到增韧环氧树脂的目的,进而改善环氧树脂与纤维的界面性能。传统手段是在环氧树脂中引入橡胶弹性体、热塑性树脂或热固性树脂,使之在环氧树脂的交联网络中以―海岛‖结构存在,形成互穿或半互穿网络结构以耗散应力;也可引入带有柔性链段的活性官能团,使之与环氧树脂发生反应而提高网链分子的柔顺性。近年来,采用纳米材料来增韧环氧树脂引起了越来越多研究学者的关注。利用纳米材料的表面活性基团和小尺寸效应,可与环氧树脂发生物理或化学结合,使纳米材料在碳纤维和环氧树脂的界面区形成贯穿缠结,在碳纤维和环氧基体之间起到桥接作用,从而达到提高界面粘接力和改善界面性能的目的。

三.几种复合材料的界面改性(案例分析——含树脂基和金属基)

1. 界面改性剂对聚苯硫醚/碳纤维复合材料力学和和热力学性能的影响

1.1 实验材料:耐高温环氧树脂四缩水甘油基-4,4-二氨基二苯醚为改性剂,碳纤维,聚苯硫醚。注:将经过质量分数0%、1%、2%、5%的环氧丙酮溶液处理的CF 制备而成的CF /PPS 复合材料分别记为: 样品1#、2#、3#和4#。

1.2 处理方法:通过熔融共混制备界面性能得到改善的碳纤维增强聚苯硫醚复合材料。用不同浓度的环氧丙酮溶液浸泡处理碳纤维,并对制得的复合材料力学性能和断面形貌进行表征。1.3 实验结果:

1.3.1 在实验范围内,2%的环氧丙酮溶液处理碳纤维后,材料的冲击强度得到了很大的提高,如图2为PPS /CF复合材料冲击断面的SEM 照片,主要是因为样品1# 和2# 断面上的纤维表面附着的PPS 树脂较少,表明树脂与纤维的结合并不理想;而样品3#中可以看到,大量的PPS 树脂黏附在CF表面上,这直观地说明了PPS 树脂和CF 之间产生了良好的结合,使

复合材料的冲击性能得到明显提高; 同时,在样品4#中可以明显地看到,在CF 表面上拉丝状树脂,这主要可能是环氧树脂较多地包覆在纤维表面上形成了弱界面层,降低了界面结合强度,纤维在受到冲击时更容易被拔出,影响了材料的力学性能。

1.3.2 如图3 PPS /CF复合材料的储能模量曲线及图4 PPS /CF复合材料DSC结晶曲线,

在实验范围内,2% 的环氧溶液处理碳纤维制得的复合材料的储能模量和结晶温度均最高。

图3 PPS /CF复合材料的储能模量曲线

图4 PPS /CF复合材料DSC结晶曲线

图2 PPS /CF复合材料冲击断面的SEM 照片

2. 聚合物基复合材料的界面结构与导热性能

2.1 实验材料:对苯二异氰酸酯,硅烷,环氧树脂,苯并噁嗪树脂,BN

2.2 实验处理方法:

2.2.1 利用阳离子型表面活性剂对BN进行表面功能化处理,

2.2.2 使用硅烷偶联剂对BN进行表面功能化处理。

2.2.3 填充环氧树脂和苯并噁嗪树脂。

2.3 实验结果:

如图5为填充未处理及处理后的BN复合材料的热导率,利用阳离子型表面活性剂对BN 进行表面功能化处理,改善了复合材料的界面结构,复合材料热导率有了明显提高,由原来的1.9W/(m·K)提高到3.4W/(m·K),增加了75%;使用硅烷偶联剂对BN进行表面功能化处理,复合材料的热导率同样得到了提高,当BN填充量为57%(体积分数)时,复合材料热导率从5.27W/(m·K)提高到10.31W/(m·K)。另外,利用BN 作填料,分别填充环氧树脂和苯并噁嗪树脂。前者未对BN作任何处理,在填充量为80% (质量分数)时复合材料的热导

率为3.35W/(m·K);后者使用对苯二异氰酸酯表面功能化处理BN粒子填料,当BN填充量达到88%(质量分数)时,复合材料的热导率高达32.5W/(m·K)。与前者相比,后者的导热性能提高了将近10倍,而填充量只是略有增加。

图5 填充未处理及处理后的BN复合材料的热导率

3. 界面设计对Sip/Al复合材料组织和性能的影响

3.1 实验材料:硅,铝,碳

3.2 实验处理方法:表面炭化处理选用真空条件下1300℃分别处理1,2,3h,碳的来源是造粒过程中添加的淀粉裂解后产生的碳,硅与碳反应生成碳化硅。表面氮化处理选用氮气气氛下1200℃分别处理1,2,3h,硅与氮气反应得到氮化硅。采用干法模压成型制备预制件。其中,硅粉选用400目工业硅粉,黏结剂为石蜡和聚碳硅烷,模压成型压制压力80MPa,生坯按预定程序烧结制得预制件。选用4047铝合金作基体,采用真空气压浸渗工艺制备Si p/Al 复合材料,浸渗温度700℃,浸渗压力10MPa,

浸渗时间3-5Min。

3.3 实验结果:

3.3.1 图6为不同表面处理工艺处理前后硅颗粒表面形貌电镜照片。可以看出,原始预制件中硅颗粒表面除吸附少量细小颗粒外,基本保持光滑整洁、棱角分明的状态,硅颗粒基本保持了原始颗粒的形状(图6(a))。经1300℃炭化2h后(图6(b)),预制件中硅颗粒表面变得平缓圆滑,并且有较均匀致密的薄膜状结构包覆在整个颗粒表面。经1200℃氮化处理1h后(图6(c)),虽然XRD分析有氮化硅生成,但因处理时间短,氮化硅生成量较少,所以颗粒表面形貌变化并不明显,硅颗粒依然保持明显的棱角;但是随氮化处理时间的延长,1200℃氮化处理2h后(图6(d)),硅颗粒表面不再层次分明,而是棱角钝化,表面变得较为平缓圆滑,并且有较均匀的壳状保护层包覆在整个颗粒表面,结合XRD分析证明硅颗粒表面生成氮化硅层。

4. 大麻纤维处理对增强聚乳酸和不饱和聚酯复合材料界面剪切强度的影响

4.1 实验材料:硅橡胶模具,大麻,聚乳酸,不饱和聚酯,氢氧化钠,乙酸酐,马来酸酐,硅烷。

4.2 实验处理方法:分别用质量分数为0.5%的氢氧化钠,乙酸酐,马来酸酐及硅烷处理大麻纤维增强聚乳酸和不饱和聚酯复合材料,并在65℃下保持保温3h。

4.3 实验结果:如图7大麻纤维增强聚乳酸复合材料的FT-IR光谱图,可以看出氢氧化钠处理之后由FT-IR测得的透光率最大,证明该处理方法的化学键结合最好,即界面结合相对较好。同样,大麻纤维增强不饱和聚酯复合材料具有类似的现象这里就不在赘述。

图6为不同表面处理工艺处理前后硅颗粒表面形貌电镜照片

图7大麻纤维增强聚乳酸复合材料的FT-IR光谱图

四.收获:

1.对什么是复合材料界面层,以及界面层所研究的界面力学性能和实验方法有了

较为全面的认识。

2.大体上对材料测试仪器,如:原子显微,傅立叶变换红外光谱,核磁共振,透

射电子显微镜,示差扫描量热法,热重分析,光学显微镜,动态力学分析仪,MTS 拉扭试验机,有了一定程度的了解,大体上知道这些仪器是用来做哪些材料性能的测试;部分仪器,如:光学显微镜,MTS拉扭试验机,我还了解了它的测试原理,工作条件以及测试过程中需要注意的事项。

3.认识到界面改性不单单对纤维增强体表面进行改性,还可以对其基体进行改性

以达到复合材料强度,硬度以及导热性等力学性能有所提高。

4.对界面粘结层理论,如:化学键理论,浸润理论、变形层理论和抑制层理论有

了初步的了解。

5.对界面改性方法的优劣有了一定程度的认识。其中,改性方法主要有:纤维表

面涂层,纤维表面包覆,等离子体接枝法,电化学氧化法,超声氧化法,γ -射线辐照法,气相氧化法,液相氧化法等。

6.复合材料界面改性之后和改性之前需要对哪些力学参数进行比较以判断其改

性前后的优劣;另外就是怎么对这些参数进行测定,也即需要通过哪些实验测试手段来获取这些实验参数的。如:通过拉伸实验机对纤维拔出获得材料的最大力值,然后通过之前提到的公式进行换算,进而测定材料的界面强度。

7.复合材料界面改性之后力学特性提高的本质是什么,以及研究手段有哪些等也

有了一定程度的掌握。如:界面强度提高了,那么我们可以可通过傅立叶变换红外光谱测试它的化学键结合强弱进行分析(最为有效的方法),也通过光学显微镜观察纤维增强体表面是否有较好的界面包覆或者结合等等。

8.对于碳纳米管增强金属基复合材料不仅要考虑碳纳米管的含量(含量太高会生

成聚集在一起的碳纳米管,不能与基体很好的结合),更重要的是在热处理的过程中需要控制好温度和时间,不然会使碳纳米管表面出现烧结等情况,降低界面结合,从而导致力学性能的下降。

五.想法:

1.对于搞研究的科研人员一般很少顾及合成一种性能较为优异的材料所需要的

生产成本以及生产流程工业化程度的难度,简而言之,就是很少考虑它的实用性和经济性;当然对于高精尖的军工,航天,国防行业,是可以不考虑经济成本,也就是说科研人员要认清自己所服务的对象来开展研究,只有这样才能让研究更有价值,更有意义。

2.复合材料界面的改性从材料学的角度看就是要多去尝试一些新的方法,只有这

样做才能得到相对较优的结果。(当然这是要基于前人总结的一些经验性的方法还有物理化学相关方面的知识,即知道它的反应机理)。总之,就是要耐得住枯燥重复性的尝试。

3.复合材料的界面改性在实验和理论方面得到了长足的发展,但是运用到工程实

际的数值方法及有限元方法还有待进一步完善;为此,这一方面还有很大的发展空间。

4.界面改性的目的不一样,如提高热传导,或者是提高韧性,亦或是提高强度,

硬度。耐腐蚀性等等。这就要求我们可以以目的为出发点一定程度上忽略其它性能

的弱化,也就只有这样才能较为有效的合成出这样的复合材料(同样要基于前人总结的一些经验性的方法,还有物理,化学,力学等方面的知识)。

六.额外收获:

1. 线弹性断裂力学 适用范围:脆性材料

定义:弹性力学的线性理论对裂纹体进行力学分析,并采用由此求得的某些特征参量(如应力强度因子、能量释放率)作为判断裂纹扩展的准则

测试手段:张开型、剪切型和撕开型

2. 界面强度的实验方法主要有三种:

2.1 纤维拔出方法

纤维拔出实验方法如图2.a ,其计算公式:F =dl τπ

其中F 为最大拔出力,d 为纤维直径,l 为纤维嵌入基体的长度

2.2纤维挤出

纤维拔出实验方法如图2.b ,其计算公式:F =dl τπ

其中F 为最大挤出力,d 为纤维直径,l 为试样厚度

2.3纤维的破碎实验

如图2.c 。

我觉得三种方法各有优劣,可根据实验条件以及实验材料选择最佳的实验方法。

图2.a 纤维拔出方法

图2.b 纤维挤出方法

图2.c纤维的破碎实验

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nanotube reinforced Cu–Cr matrix composites[J]. Materials & Design, 2013, 45: 407-411.

力学性能指标

力学性能指标:拉伸强度、断裂伸长率、硬度、弹性模量、冲击强度。 影响力学性能的因素:温度、拉伸速度、环境介质、压力等。 弹性变形特点:可逆变形虎克定律弹性变形量很小,一般不超过0.5%-1% 材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力,而材料的成分和组织对它的影响不大共价键的弹性模量最高. 弹性比功:又称弹性比能,表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 滞弹性:在弹性范围内快速加载或卸载后,随时间延长产生附加弹性应变的现象。 循环韧性的意义:循环韧性越高,机件依靠自身的消振能力越好,所以高循环韧性对于降机器的噪声,抑制高速机械的振动,防止共振导致疲劳断裂意义重大 金属材料常见的塑性变形方式滑移和孪生 金属应变硬化机理与高分子应变硬化机理的区别:金属机理:位错的增殖与交互作用导致的阻碍高分子机理:发生应变诱导结晶、分子链接近最大伸长 韧性断裂:金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂,有一个缓慢的撕裂过程,在裂纹扩展过程中不断消耗能量。脆性断裂:突然发生断裂,基本上不发生塑性变形,没有明显征兆,因此危害性很大。 α值越大,表示应力状态越“软”,金属越易于产生塑性变形和韧性断裂。α值越小,表示应力状态越“硬”,金属越不易于产生塑性变形而易于产生脆性断裂。拉伸时塑性很好的材料,在压缩时只发生压缩变形而不断裂。硬度:布氏、洛氏、维氏 缺口效应:缺口根部产生应力集中,同时缺口截面上的应力分布发生改变。 断裂韧性:由于裂纹破坏了材料的均匀连续性,改变了材料内部应力状态和应力分布,所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能,传统的力学强度理论就不再适用。 断裂力学就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂强度科学,是在承认机件存在宏观裂纹的前提下,建立了裂纹扩展的各种新的力学参量,并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。 分析裂纹体断裂问题的方法:应力应变分析方法:考虑裂纹尖端附近的应力场强度,得到相应的断裂K判据。(2) 能量分析方法:考虑裂纹扩展时系统能量的变化,建立能量转化平衡方程,得到相应的断裂G判 KI和KIC的区别:应力场强度因子KI增大到临界值KIC时,材料发生断裂,这个临界值KIC称为断裂韧度。KI是力学参量,与载荷、试样尺寸有关,而和材料本身无关。KIC是力学性能指标,只与材料组织结构、成分有关,与试样尺寸和载荷无关。根据KI和KIC的相对大小,可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据,由于平面应变断裂最危险,通常以KIC为标准建立: 应力腐蚀现象:在应力和特定的化学介质共同作用下,经过一段时间后所产生的低应力脆性断裂现象。 应力腐蚀产生的条件:(1)必须有应力,特别是拉应力的作用, 远低于材料的屈服强度,是脆性断裂;(2)对一定成分的合金,只有在特定介质中才发生应力腐蚀断裂;(3)应力腐蚀断裂速度约为10-8-10-6 m/s数量级的范围内,远大于没有应力时的腐蚀速度,又远小于单纯力学因素引起的断裂速度。 机理:当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中,首先在金属的表面形成一层保护膜,它阻止了腐蚀进行,即所谓“钝化”。由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部地区的保护膜破裂,破裂处金属直接暴露在介质中,成为微电池的阳极,产生阳极溶解。阳极小阴极大,所以溶解速度很快,腐蚀到一定程度又形成新的保护膜,但在拉应力的作用下又可能重新破坏,发生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成反复破裂的过程,就会使某些局部地区腐蚀加

流体静力学实验报告

一、实验目的 1.掌握用液式测压计测量流体静压强的技能。 2.验证不可压缩流体静力学基本方程,加深对位置水头、压力水头和测压管水头的理解。 3.观察真空度(负压)的产生过程,进一步加深对真空度的理解。 4.测定油的相对密度。 5.通过对诸多流体静力学现象的实验分析,进一步提高解决静力学实际问题的能力。 二、实验装置 本实验的装置如图1-1所示。 图1-1 流体静力学实验装置图 1. 测压管 ; 2. 带标尺的测压管 ; 3. 连通管 ; 4. 通气阀 ; 5. 加压打气球 ; 6. 真空测压管 ; 7. 截止阀 ; 8. U 型测压管 ; 9. 油柱 ; 10. 水柱 ;11. 减压放水阀 说明: (1)所有测压管液面标高均以标尺(测压管2)零读数为基准。 (2)仪器铭牌所注B ?,C ?,D ?系测点B ,C ,D 的标高。若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准,则B ?,C ?,D ?亦成为C z ,C z ,D z 。 (3) 本仪器中所有阀门旋柄均以顺管轴线为开。

三、实验原理 1.在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程。 形式一: p z γ +=const (1-1-1a ) 形式二: P=P 。+γ (1-1-1b ) 式中 z---测点在基准面以上的位置高度; P —测点的静水压强(用相对压强表示,一下同); P 。--水箱中液面的表面压强; γ--液体的重度; h —测点的液体深度; 2.油密度测量原理。 当u 形管中水面与油水界面齐平(见图1-1-2),取油水界面为等压面时,有: P01=w γ=0γH (1-1-2) 另当U 形管中水面与油面平齐(见图1-1-3),取油水界面为等压面时,有: P02+W γH=0γH 即 P02=-w γh2=0γH-W γH (1-1-3) 图1-2 图1-3 四、实验要求 1.记录有关常数 实验装置编号No. 12 各测点的标尺读数为: B ?= 2.1 -210m ?; C ?= -2.9 -210m ?; D ?= -5.9 -210m ?; 基准面选在 测压管的0刻度线处 ; C z = -2.3 -210m ?; D z = -5.9 -210m ?; 2.分别求出各次测量时,A 、B 、C 、D 点的压强,并选择一基准验证同一

静力学分析报告

静力学分析报告 一、制作人员: 二、模型名称:桁架 三、创意来源: 四、模型视图: 五、模型简化

因为桁架本身由硬杆组成,所以简化结构 如下图所示,并求各点的受力情况。 假设桁架受到集中力G的影响 1以节点A为探究对象 m A F=0 F B Y?4?F?3=0 F B Y=0.75F F Y=0 F A Y+F B Y=0 F A Y=0.25F 2以节点B为探究对象 F12F13 B F B Y F Y=0 F13cos45°+F B Y=0 F13=?32 4 F F X=0 ?F13cos45°?F12=0 F12=?3 4 F

3以节点G为探究对象 F F10 G F11F13′ F Y=0 ?F13′cos45°?F?F11=0 F11=?0.25F F X=0 F13′cos45°?F10=0 F8=?0.75F 4以节点H为探究对象 F9F11′ F8 H F12′ F Y=0 F9cos45°+F11′=0 F9= 2 4 F F X=0 ?F9cos45°?F8+F12′=0 F8=0.5F 5以节点I为探究对象 F7 F6I F8′ F Y=0 F7=0

F X=0 ?F6+F8′=0 F6=0.5F 6以节点E为探究对象 F4E F10′ F5F7′F9′ F Y=0 F9′cos45°?F5cos45°=0 F5=2 F F X=0 ?F5cos45°+F9′cos45°?F4+F10′=0 F4=?0.25F 7以节点D为探究对象 F3F5′ F2 D F6′ F Y=0 F3+F5′cos45°=0 F3=1 4 F F X=0 F5′cos45°?F2+F6′=0 F4=0.25F 8以节点C为探究对象 C F4′

材料力学性能静拉伸试验报告

静拉伸试验 一、实验目的 1、测45#钢的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 2、测定铝合金的屈服强度s σ、抗拉强度m R 、断后伸长率δ和断面收缩率ψ。 3、观察并分析两种材料在拉伸过程中的各种现象。 二、使用设备 微机控制电子万能试验机、0.02mm 游标卡尺、试验分化器 三、试样 本试样采用经过机加工直径为10mm 左右的圆形截面比例试样,试样成分分别为铝合金和45#,各有数支。 四、实验原理 按照我国目前执行的国家 GB/T 228—2002标准—《金属材料 室温拉伸试验方法》的规定,在室温1035℃℃的范围内进行试验。将试样安装在试验机的夹头当中,然后开动试验机,使试样受到缓慢增加的拉力(一般应变速率应≤0.1m/s ),直到拉断为止,并且利用试验机的自动绘图装置绘出材料的拉伸图。 试验机自动绘图装置绘出的拉伸变形L ?主要是整个试样,而不仅仅是标距部分的伸长,还包括机器的弹性变形和试样在夹头中的滑动等因素,由于试样开始受力时,头部在头内的滑动较大,故绘出的拉伸图最初一段是曲线。 塑性材料与脆性材料的区别: (1)塑性材料: 脆性材料是指断后伸长率5%δ≥的材料,其从开始承受拉力直至试样被拉断,变形都比较大。塑性材料在发生断裂时,会发生明显的塑性变形,也会出现屈服和颈缩等现象; (2)脆性材料: 脆性材料是指断后伸长率5%δ<的材料,其从开始承受拉力直至试样被拉断,变形都很小。并且,大多数脆性材料在拉伸时的应力—应变曲线上都没有明显的直线段,几乎没有塑性变形,在断裂前不会出现明显的征兆,不会出现屈服和颈缩等现象,只有断裂时的应力值—强度极限。 脆性材料在承受拉力、变形记小时,就可以达到m F 而突然发生断裂,其抗拉强度也远远 小于45钢的抗拉强度。同样,由公式0m m R F S =即可得到其抗拉强度,而根据公式,10 l l l δ-=。 五、实验步骤 1、试样准备 用笔在试样间距0L (10cm )处标记一下。用游标尺测量出中间横截面的平均直径,并且测出试样在拉伸前的一个总长度L 。 2、试验机准备:

流体静力学实验报告完整版

流体静力学实验报告 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】

中国石油大学(华东)现代远程教育 工程流体力学实验报告学生姓名: 学号: 年级专业层次:16春网络春高起专 学习中心:山东济南明仁学习中心 提交时间:2016年5月30日

1.在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程 形式之一:(1-1a) 形式之二:P=P0+γh(1-1b) 式中 Z——被测点在基准面以上的位置高度; P——被测点的静水压强,用相对压强表示,以下同; P0——水箱中液面的表面压强; ?γ ——液体重度; ?h——被测点的液体深度。 2.油密度测量原理 当U型管中水面与油水界面齐平(图1-2),取其顶面为等压面,有P01=γw h1=γ0HP01(1-2)另当U型管中水面和油面齐平(图1-3),取其油水界面为等压面,则有P02+γw H=γ0H 即P02=-γw h2=γ0H-γw H(1-3) 由(1-2)、(1-3)两式联解可得: ?代入式(1-2)得油的相对密度 ?(1-4) 据此可用仪器(不用另外尺)直接测得。 ?流型判别方法(奥齐思泽斯基方法):

本实验的装置如图1-1所示。 图1-1 流体静力学实验装置图 1.测压管; 2.带标尺的测压管; 3.连通管; 4.真空测压管;型测压管; 6.通气阀; 7.加压打气球; 8.截止阀; 9.油柱; 10.水柱; 11.减压放水阀 说明 1.所有测管液面标高均以标尺(测压管2)零读数为基准; 2.仪器铭牌所注、、系测点B、C、D标高;若同时取标尺零点作为静力学基本方程的基准, 则、、亦为、、; 3.本仪器中所有阀门旋柄顺管轴线为开。 四、实验步骤 1.搞清仪器组成及其用法。包括: (1)各阀门的开关; (2)加压方法:关闭所有阀门(包括截止阀),然后用打气球充气; (3)减压方法:开启筒底阀11放水; (4)检查仪器是否密封 加压后检查测管l、2、5液面高程是否恒定。若下降,表明漏气,应查明原因并加以处理。 2.记录仪器编号、各常数。 3.实验操作,记录并处理实验数据,见表1-1和表1-2。 4.量测点静压强。 (1)打开通气阀6(此时),记录水箱液面标高和测管2液面标高(此时);(

界面力学报告

摘要: 通过对复合材料界面力学问题基础知识以及基本概念的认识和理解;总结聚合物/金属基复合材料界面的处理方法,并分析处理前后界面力学性能和导热性能的变化,并在此基础上分析是哪些原因导致这些复合材料界面力学性能和导热性能的改变,同时还对界面性能测定所要用到的实验设备以及测试手段进行了总结。 关键词:复合材料界面力学性能导热性能 一.基本概念的介绍: 1. 界面及界面相 界面是将不同的材料紧密的粘合起来所产生,并借此传递应力。把两种材料结合在一起的界面力可以是范德华力、化学键、机械互锁、静电吸引或以上力的协同作用。界面相具有一定的厚度,一般认为在几个分子层的厚度范围内。界面相虽然很薄,但是其结构是很复杂的。界面相从结构来分,这一界面相由5个亚层组成(如图1所示),每一亚层的性能均与基体和增强体的性质、偶联剂的品种和性质、复合材料的成型方法等密切相关界面结构主要指界相区的结构,也包含邻近界相区的基体和增强体的结构。而且,随环境条件的改变,复合体系中的界面区结构可以发生变化。如温度的改变,可以改变两组分间的相互作用,从而导致界面层厚度、化学结构和界面效应(如应力传递)等的改变。通常复合材料界面除了在性能和结构上不同于相邻两组分外,还具有以下特点:(1)具有一定厚度;(2)性能在厚度方向上有一定的梯度变化;(3)随环境条件变化而改变。 图1增强体与基体界面区示意图 2. 界面粘合理论主要有化学键理论、浸润理论、变形层理论和抑制层理论。 2.1 化学键理论认为两种材料在接触时,如二者表面的官能团能发生化学反应,就会生成化学键结合而形成具有一定结合强度的界面,从而有效防止裂纹扩展,抵抗应力破坏。2.2 浸润理论认为,两种材料可以依靠机械互锁粘合在一起,即一种材料在固化中浸入到另一材料的空隙和凹凸处形成机械锚定,从而形成有效界面结合。但是,如果两种材料的热膨胀系数相差较大,当二者粘合连接后,会在界面上产生使其发生破坏的附加应力,在外载荷作用下还会在界面上出现应力集中现象,从而导致界面成为复合材料的薄弱环节。 2.3 变形层理论认为,通过使用处理剂在两种材料的界面上形成一层热膨胀系数与二者都能较好匹配的塑性层,就能够松弛界面上的附加应力,减少界面应力集中现象。 2.4 抑制层理论则认为,处理剂应是介于高模量和低模量材料之间的中模量物质,它作为界面相的一部分,能够均匀传递应力并减小应力集中现象。

树脂基复合材料的力学性能

树脂基复合材料的力学性能 力学性能是材料最重要的性能。树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点,用于承力结构的树脂基复合材料利用的是它的这种优良的力学性能,而利用各种物理、化学和生物功能的功能复合材料,在制造和使用过程中,也必须考虑其力学性能,以保证产品的质量和使用寿命。 1、树脂基复合材料的刚度 树脂基复合材料的刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占的体积分数决定。树脂基复合材料的力学研究表明,对于宏观均匀的树脂基复合材料,弹性特性复合是一种混合效应,表现为各种形式的混合律,它是组分材料刚性在某种意义上的平均,界面缺陷对它作用不是明显。 由于制造工艺、随机因素的影响,在实际复合材料中不可避免地存在各种不均匀性和不连续性,残余应力、空隙、裂纹、界面结合不完善等都会影响到材料的弹性性能。此外,纤维(粒子)的外形、规整性、分布均匀性也会影响材料的弹性性能。但总体而言,树脂基复合材料的刚度是相材料稳定的宏观反映。 对于树脂基复合材料的层合结构,基于单层的不同材质和性能及铺层的方向可出现耦合变形,使得刚度分析变得复杂。另一方面,也可以通过对单层的弹性常数(包括弹性模量和泊松比)进行设计,进而选择铺层方向、层数及顺序对层合结构的刚度进行设计,以适应不同场合的应用要求。 2、树脂基复合材料的强度 材料的强度首先和破坏联系在一起。树脂基复合材料的破坏是一个动态的过程,且破坏模式复杂。各组分性能对破坏的作用机理、各种缺陷对强度的影响,均有街于具体深入研究。 树脂基复合材强度的复合是一种协同效应,从组分材料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出其强度性质。对于最简单的情形,即单向树脂基复合材料的强度和破坏的细观力学研究,还不够成熟。 单向树脂基复合材料的轴向拉、压强度不等,轴向压缩问题比拉伸问题复杂。其破坏机理也与拉伸不同,它伴随有纤维在基体中的局部屈曲。实验得知:单向树脂基复合材料在轴向压缩下,碳纤维是剪切破坏的;凯芙拉(Kevlar)纤维的破坏模式是扭结;玻璃纤维一般是弯曲破坏。 单向树脂基复合材料的横向拉伸强度和压缩强度也不同。实验表

ansys课程设计报告-平面桁架静力学分析

辽宁工程技术大学课程设计 课程大型工程分析软件及应用 题目平面桁架的静力分析 院系力学与工程学院 专业班级 学生姓名 学生学号 2018年01月07 日

力学与工程学院课程设计任务书 课程 大型工程分析软件及应用课程设计 题目 平面桁架的静力分析 专业 姓名 主要内容: 1、 小型铁路桥由横截面积为3250mm 2的钢制杆件组装而成。一辆火车停在桥上,EX=2.1×105MPa ,μ=0.3,ρ=7.8×103kg/m 3。试计算位置R 处由于载荷作用而沿水平方向移动的距离以及支反力,同时,分析各个节点的位移和单元应力。 2、 试件的几何参数 设计报告目录 a=1m a=1m a=1m b=1m R F2=280KN F1=210KN

第1章概述................................................................................................................... - 4 - 1.1 课程设计的意义、目的..................................................................................................... - 4 - 第2章 ANSYS详细设计步骤........................................................................................ - 4 - 2.1问题分析.............................................................................................................................. - 4 - 2.2基于ANSYS分析的步骤................................................................................................... - 4 - 2.2.1启动ANSYS,进入ANSYS界面........................................................................... - 5 - 2.2.2定义工作文件名和分析标题.................................................................................... - 5 - 2.2.3设定分析类型............................................................................................................ - 5 - 2.2.4选择单元类型............................................................................................................ - 5 - 2.2.5定义实常数................................................................................................................ - 6 - 2.2.6定义力学参数............................................................................................................ - 6 - 2.2.7存盘............................................................................................................................ - 7 - 2.2.8创建关键点先、线.................................................................................................... - 7 - 2.2.9设置、划分网格........................................................................................................ - 9 - 2.2.10施加荷载并求解.................................................................................................... - 11 - 第3章设计结果及分析............................................................................................. - 14 - 3.1显示桁架变形图................................................................................................................. - 14 - 3.2列表显示节点解................................................................................................................. - 15 - 3.3上述分析对应的命令流如下:......................................................................................... - 16 - 结论............................................................................................................................... - 18 - 心得体会....................................................................................................................... - 18 - 参考文献....................................................................................................................... - 19 - 设计报告

静力学受力分析报告方案设计答案详解

学号 班级 姓名 成绩 静力学部分 物体受力分析(一) 一、填空题 1、 作用于物体上的力,可沿 其作用线 移动到刚体内任一点,而不改变力对刚体的作用 效果。 2、 分析二力构件受力方位的理论依据是 二力平衡公理 . 3、 力的平行四边形法则,作用力与反作用力定律对__变形体___和____刚体__均适用,而 加减平衡力系公理只是用于__刚体____. 4、 图示AB 杆自重不计,在五个已知力作用下处于平衡。则作用于B 点的四个力的合力F R 的 大小R F =F ,方向沿F 的反方向__. 5、 如图(a)、(b )、(c )、所示三种情况下,力F 沿其作用线移至D 点,则影响A 、B 处的约束 力的是图___(c ) _______. (c ) 第4题图 第5题图 二、判断题 ( √ )1、力的可传性只适用于刚体,不适用于变形体。 ( × )2、凡是合力都比分力大。 ( √ )3、一刚体在两力的作用下保持平衡的充要条件是这两力等值、反向、共线。 ( × )4、等值、反向、共线的两个力一定是一对平衡力。 2 F 3

( √)5、二力构件约束反力作用线沿二力点连线,指向相对或背离。 三、改正下列各物体受力图中的错误 四、画出图中各物体的受力图,未画出重力的物体重量均不计,所有接触处为光滑接触。(必须 取分离体) N F B x F B y F Ax F A y F B F A F Ax F A y F Ax F A y F

(e) B F T F A F B F Ax F A y F C x F C y F A F Ax F A y F B F

流体静力学实验报告(中国石油大学)

中国石油大学(华东)工程流体力学实验报告 实验日期:成绩: 班级:学号:姓名:教师: 同组者: 实验一、流体静力学实验 一、实验目的:填空 1.掌握用液式测压计测量流体静压强的技能; 2.验证不可压缩流体静力学基本方程,加深对位置水头、压力水头和测压管水头的理解; 3. 观察真空度(负压)的产生过程,进一步加深对真空度的理解; 4.测定油的相对密度; 5.通过对诸多流体静力学现象的实验分析,进一步提高解决静力学实际问题的能力。 二、实验装置 1、在图1-1-1下方的横线上正确填写实验装置各部分的名称 本实验的装置如图所示。 1. 测压管; 2. 带标尺的测压管; 3. 连通管;

4. 通气阀 ; 5. 加压打起球 ; 6. 真空测压管 ; 7. 截止阀 ; 8. U 形测压管 ; 9. 油柱 ; 10. 水柱 ;11. 减压放水阀 图1-1-1 流体静力学实验装置图 2、说明 1.所有测管液面标高均以 标尺(测压管2) 零读数为基准; 2.仪器铭牌所注B ?、C ?、D ?系测点B 、C 、D 标高;若同时取标尺零点作为 静力 学基本方程 的基准,则B ? 、C ?、D ?亦为B z 、C z 、D z ; 3.本仪器中所有阀门旋柄 以顺 管轴线为开。 三、实验原理 在横线上正确写出以下公式 1.在重力作用下不可压缩流体静力学基本方程 形式之一: z+p/γ=const (1-1-1a ) 形式之二: h p p γ+=0 (1-1b ) 式中 z ——被测点在基准面以上的位置高度; p ——被测点的静水压强,用相对压强表示,以下同; 0p ——水箱中液面的表面压强; γ——液体重度; h ——被测点的液体深度。 2. 油密度测量原理 当U 型管中水面与油水界面齐平(图1-1-2),取其顶面为等压面,有 01w 1o p h H γγ== (1-1-2) 另当U 型管中水面和油面齐平(图1-1-3),取其油水界面为等压面,则有 02w o p H H γ γ+= 即

理论力学(静力学)总结

静力学——主要研究受力物体平衡时作用力所应满足的条件;同时也研究物体受力的分析方法,以及力系简化的方法等。 运动学——只从几何的角度来研究物体的运动(如轨迹、速度和加速度等),而不研究引起物体运动的物理原因。 动力学——研究受力物体的运动与作用力之间的关系。 所谓刚体是指这样的物体,在力的作用下,其内部任意 两点之间的距离始终保持不变。 公理1 力的平行四边形规则 公理2 二力平衡条件 公理3 加减平衡力系原理 推理1 力的可传性 推理2 三力平衡汇交定理 公理4 作用和反作用定律 公理5 刚化原理 约束反力的方向必与该约束所能够阻碍的位移方向相反1.具有光滑接触表面的约束F N 作用在接触点处,方向沿接触表面的公法线,并指向受力物体2.由柔软的绳索、链条或胶带等构成的约束拉力F T 方向沿着绳索背离物体 3.光滑铰链约束 (1)向心轴承 (2) 圆柱铰链和固定铰链支座

4.其它约束 (1)滚动支座 (2)球铰链一个空间力 (3)止推轴承 物体的受力分析受了几个力,每个力的作用位置和力的作用方向 平面汇交力系几何法解析法 平面汇交力系平衡的必要和充分条件是:各力在两个坐标轴上投影的代数和分别等于零 力对刚体的转动效应可用力对点的矩(简称力矩)来度量 力F 对于点O的矩以记号Mo(F )表示 Mo(F )=±F h 力使物体绕矩心逆时针转向转动时为正,反之为负。力对点之矩是一个代数量 r表示由点O到A的矢径 矢积的模r F 就等于力F对点0的矩的大小,其指向与力矩 的转向符合右手法则。 合力矩定理 这种由两个大小相等、方向相反且不共线的平行力组成的力系,称为力偶 力偶只对物体的转动效应,可用力偶矩来度量 力偶矩 M(F,F') 力偶的作用效应决定于力的大小和力偶臂的长短,与矩心的位置无关

CAE悬臂梁静力分析实验报告

上机实验报告 上机实验 实验内容:悬臂梁静力分析 一、问题描述 已知如下图1-1所示的悬臂梁,悬臂梁的截面为矩形截面,矩形截面的尺寸为h=5mm,b=2.5mm。悬臂梁长为l=150mm。本次静力分析中设定其弹性模量为E=70GPa,泊松比v=0。实验对悬臂梁一端受到集中载荷P=5N做静力分析,以及对悬臂梁单独q=0.1N/mm作用和同时与P=5N下做静力分析。实验包括悬臂梁受力后的挠度变化曲线,最大挠度发生的位置和软件计算结果与解析解的对比分析。 图1-1 悬臂梁结构及受力图 二、几何模型建立 此次实验几何模型的建立比较简单,在软件含有的两种梁单元BEAM188和BEAM189中任选一种,本次选择第一种。根据实验内容设置其截面的参数,然后在软件中绘制一条150mm的直线,实验所需要的几何模型即建立完成。 经过上述步骤建立的最终模型如下图2-1所示。

图2-1 几何模型图 三、有限元网格模型建立 这次实验的几何模型较为简单,在软件中利用MeshTool工具选择建立的模型后,在等分多少段后面输入100,即将模型分为100段。在将模型划分为100段后,如果在前面的操作中没有选择前述两种梁单元中的一种,点击Mesh按钮的时候会提示没有选择元素类型的错误,在前处理中定义元素类型即可。经过上述操作后的网格模型图如下图3-1所示 图3-1 网格模型图 四、边界、约束条件及施加载荷 这次实验是对悬臂梁的静力分析,所以需要在模型的左端施加一个全自由度的约束。然后根据实验内容在模型的右端施加一个Y方向上向下5N的集中载荷,如下图4-1所示。在悬臂梁上施加0.1N/mm的均布载荷,如下图4-2所示。在悬臂梁上同时施加0.1N/mm的均布载荷且在悬臂梁右端施加一个Y方向上向下5N 的集中载荷,如下图4-3所示。 图4-1 悬臂梁右端受5N集中载荷图

静力学总结

第一部分 静力学 静力学研究物体作机械运动的特殊情况——物体处于静止状态时力的平衡规律。 静力学主要研究: 物体的受力分析 力系的等效替换(或简化) 建立各种力系的平衡条件 静力学主要内容 静力学基本概念 力系的简化 约束与约束反力 力系的平衡 摩擦与摩擦力 第一章 静力学公理和物体的受力分析 §1-1 静力学基本概念 一:力的概念 1.定义:力是物体间的相互机械作用,这种作用可以使物

2. 力的效应: ①运动效应(外效应) ②变形效应(内效应)。 3. 力的三要素:大小,方向,作用点 力的单位,采用国际单位时为: 牛顿(N )以及千牛(KN ) 4. 力的表示:A 图形表示 B 符号表示矢量 大小 5.相关的概念 力系:是指作用在物体上的一群力。 平衡力系:物体在力系作用下处于平衡状态, 我们称这个力系为平衡力系。 6.力的分类 集中力、分布力、集中力偶 二.刚体 是指在力的作用下,大小和形状都不变的物体。 变 形 体 三.平衡 是指物体相对于惯性参考系保持静止或作匀速直线运 动的状态。 §1-2 静力学基本公理 公理:是人类经过长期实践和经验而得到的结论,它被反复的实践所验证,是无须证明而为人们所公认的结论。 公理1 力的平行四边形法则 作用于物体上同一点的两个力可合成为一个合力,此合力也作用于该点,合力的大小和方向由以原两力矢为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。 2 /s m kg ?F F F = A F 2 1F F R +=

此公理表明了最简单力系的简化规律,是复杂力系简化的基础。 公理2 二力平衡条件 作用于刚体上的两个力,使刚体平衡的必要与充分条件是: 这两个力大小相等| F1 | = | F2 | 方向相反F1= –F2作用线共线,作用于同一个物体上。 说明:①对刚体来说,上面的条件是充要的 ②对变形体来说,上面的条件只是必要条件(或多体中) ③二力体:只在两个力作用下平衡的刚体叫二力体。二力构件只有两个力作用下处于平衡的物体

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