复合材料细观力学基础讲义共73页
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第6章 复合材料细观力学PPT
物理关系
G , G , G Ⅱ
12
12 12 f 12
f 12 f m12
m12 m
于是
GⅡ 12
Gf
f
Gm m
6.3.3 植村-山胁的经验公式
E1 EⅠ1 E1Ⅱ
E2 (1 c)EⅠ2 cEⅡ2
1 (1 c)Ⅰ1 c1Ⅱ
2
E2 E1
1
G12 (1 c)GⅠ12 cG1Ⅱ2
(3)泊松比
I 1
,
I 2
当正轴σ1方向受力作用时，纵向泊 松比的定义为
I 1
2 1
单元的横向变形量Δb为 b b 2 b1I 1
从细观来看，单元的横向变形量应等于纤维与基 体的横向变形量之和,即
bbf 2 bm2 bff 2 bmm2 bfff1bmmm1
3
因为
1 f 1 m1
所以
E f 1 Em f 3(1 f )
（拉压 型）
Xc
Gm 1 f
（剪切 型）
7
练习题
• 用材料力学方法证明单向纤维复合材料中纤维所承受
载荷Pf与纵向总裁荷P之比为
Pf 1/(1 Em m )
P
Ef f
• 已知某纤维Xft=2000MPa,Ef1=90GPa,基体树脂 Xmt=220MPa,Em=3.5GPa.若基体的延伸率大于纤维，试 求由以上基体和纤维制得的复合材料单向板的临界纤
X ft
X mt
X ft
Em Ef1
vfmin称为纤维控制的最小体积含量
6.4.2 纵向压缩强度Xc
拉压型微屈曲引起破坏的纵向压缩强度
X c 2 f
E f Em f 3(1 f )
复合材料力学-PPT课件
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研究方法
如何将多夹杂问题转化为单夹杂问题进行求解是细观 力学的核心问题。对这个问题求解作不同的假设形成了许 多细观力学的近似方法。
成熟的细观力学方法
1、稀疏方法； 2、Mori-Tanaka法（背应力法）； 3、自洽法（自相似理论）； 4、广义自洽法； 5、Eshelby等效夹杂理论； 6、微分法； 7、Hashin变分原理求解上下限方法
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感谢您的观看。
18
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引言
建立复合材料的宏观性质与相材料微结构参数的关系是实现复合材 料设计乃至进一步优化的关键。细观力学的重要任务就是根据复合材料 的组成与内部细观结构预测复合材料的宏观性能。近年米，由于计算机 性能的快速提高。可以方便地进行高性能计算，满足细观力学精细网格 和大量运算的要求。应用细观尺度的有限元网格模拟宏观材料微结构组 成，为建立细观力学和宏观材料之间的联系提供了一条途径。
研究展望
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第16页/共18页
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参考文献
1、细观力学经典理论适用性探讨—张子明 2、复合材料有效弹性性质分析方法—胡更开 3、复合材料力学—沈观林，胡更开 4、复合材料细观力学研究进展—刘克明，金莹 5、混凝土细观力学研究进展综述—张楚汉
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一、稀疏解法
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二、自洽法
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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
2024版复合材料力学讲课课件
31
课程总结回顾
复合材料力学基础知识
涵盖了复合材料的组成、结构、性能 及其力学行为等方面的基本概念和原
理。
复合材料的力学性能
深入探讨了复合材料的强度、刚度、 韧性等力学性能，以及不同加载条件
下的力学响应。
复合材料的失效与破坏
分析了复合材料的失效模式、破坏机 理和寿命预测方法，为学生提供了对
复合材料耐久性的全面理解。
应力-应变关系
分析复合材料在不同加载条件下 的应力-应变关系，可以揭示其弹 性性能的变化规律。
弹性力学模型
建立复合材料的弹性力学模型， 如层合板理论、等效连续介质模 型等，可以预测其宏观弹性性能。
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16
塑性力学方法
01
屈服准则
通过确定复合材料的屈服准则， 可以判断其在复杂应力状态下的 塑性变形行为。
复合材料力学研究内容
1 2
复合材料的力学性能 研究复合材料的强度、刚度、韧性等力学性能。
复合材料的破坏机理 研究复合材料在不同应力状态下的破坏形式和机 理。
3
复合材料的优化设计 通过改变复合材料的组分、结构等，优化其力学 性能。
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5
复合材料力学发展历程
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起步阶段
01
随着汽车工业向电动化、智能化、轻量化方 向发展，复合材料的应用前景广阔。
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29
其他领域应用拓展及创新点
体育器材
复合材料可用于制造高性能的体育器材，如自行车 车架、高尔夫球杆、滑雪板等，提高运动成绩和体 验。
医疗器械
复合材料可用于制造医疗器械和人体植入物，如手 术器械、人工关节等，提高医疗器械的性能和人体 相容性。
材料力学性能 第十一章 复合材料的力学性能 材料力学性能 讲义 课件
由于载荷主要由纤维承担，所以随着变形的增加，纤 维载荷增加较快，当达到纤维抗拉强度时，纤维破断， 此时基体不能支持整个复合材料载荷，复合材料随之 破坏。
以上公式应满足两个条件： (1) 纤维受力过程中处于弹性变形状态； (2) 基体的断后伸长率大于纤维的断后伸长率。
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6
二、复合材料的特点
复合材料取决于基体和增强体的特性、含量、 分布等。
(1) 高比强度、比模量
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8
(2) 各向异性
纤维增强复合材料在弹性常数、热膨胀系数、强度等方面具有明 显的各向异性。
通过铺层设计的复合材料，可能出现各种形式和不同程度的各向 异性。
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距离纤维末端z的纤维应力为：
由于纤维末端附近高的应力集中 或基体屈服，使纤维末端与基体 脱胶，一般 可忽略，则上式可 改成：
如果切应力沿纤维长度的变化已 知，则据上式就可以计算出数值。
实际上，切应力分布事先是未知 的，只能作为整个解的一部分来 求。
假设：纤维连续、均匀、平行排列于基体中，纤维与基体粘接 牢固，且纤维、基体和复合材料有相同的拉伸应变，基体将拉 伸力F通过界面完全传递给纤维。
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(5) 可设计性强
通过改变纤维、基体的种类和相对含量，纤维集合形式及排 布方式等可满足复合材料结构和性能的设计要求。
以上公式应满足两个条件： (1) 纤维受力过程中处于弹性变形状态； (2) 基体的断后伸长率大于纤维的断后伸长率。
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二、复合材料的特点
复合材料取决于基体和增强体的特性、含量、 分布等。
(1) 高比强度、比模量
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(2) 各向异性
纤维增强复合材料在弹性常数、热膨胀系数、强度等方面具有明 显的各向异性。
通过铺层设计的复合材料，可能出现各种形式和不同程度的各向 异性。
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距离纤维末端z的纤维应力为：
由于纤维末端附近高的应力集中 或基体屈服，使纤维末端与基体 脱胶，一般 可忽略，则上式可 改成：
如果切应力沿纤维长度的变化已 知，则据上式就可以计算出数值。
实际上，切应力分布事先是未知 的，只能作为整个解的一部分来 求。
假设：纤维连续、均匀、平行排列于基体中，纤维与基体粘接 牢固，且纤维、基体和复合材料有相同的拉伸应变，基体将拉 伸力F通过界面完全传递给纤维。
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(5) 可设计性强
通过改变纤维、基体的种类和相对含量，纤维集合形式及排 布方式等可满足复合材料结构和性能的设计要求。
--复合材料力学第六章细观力学基础
称为纵向有效模量的混合律。
（二）纵向泊松比
21
RVE的纵向应变关系式：
2 f 2V f m2Vm
两边同时除以 1 ，可得：
21 f V f mVm
（三）纵横（面内）剪切模量
G12
在剪应力作用下，RVE的剪应变有如下 关系：
12 f V f mVm
以
12
12
G12
可在复合圆柱模型上施加不同的均匀应力边界条件，利用 弹性力学方法进行求解而得到有效模量，结果为：
2
2Gm
E
f
rf2
ln(
R rf
)
其中 Gm 为基体剪切模量，rf 为纤维半经，R为纤维间距，
l为纤维长度，R与纤维的排列方式和 V f 有关。
ET（短） ET (长)
2、Halpin-Tsai方程
EL Em
1
2
l d
LV
f
1 LV f
ET
1 2TV f
Em 1 TV f
此时，对L取：
RVE的要求： 1 、 RVE 的 尺 寸 << 整 体 尺 寸 ， 则宏观可看成一点；
2、RVE的尺寸>纤维直径；
3、RVE的纤维体积分数=复合材料的纤维体积分数。
纤维体积分数：
Vf
vf v
v f —纤维总体积；
v —复合材料体积
注意：
只有当所讨论问题的最小尺寸远大于代表性体积单元时，
复合材料的应力应变等才有意义。
并可由RVE的解向邻近单元连续拓展到整体时，所得的有效 弹性模量才是严格的理论解。
则只有满足上述条件的复合材料的宏观弹性模量才能通过 体积平均应力、应变进行计算；或按应变能计算。
（二）纵向泊松比
21
RVE的纵向应变关系式：
2 f 2V f m2Vm
两边同时除以 1 ，可得：
21 f V f mVm
（三）纵横（面内）剪切模量
G12
在剪应力作用下，RVE的剪应变有如下 关系：
12 f V f mVm
以
12
12
G12
可在复合圆柱模型上施加不同的均匀应力边界条件，利用 弹性力学方法进行求解而得到有效模量，结果为：
2
2Gm
E
f
rf2
ln(
R rf
)
其中 Gm 为基体剪切模量，rf 为纤维半经，R为纤维间距，
l为纤维长度，R与纤维的排列方式和 V f 有关。
ET（短） ET (长)
2、Halpin-Tsai方程
EL Em
1
2
l d
LV
f
1 LV f
ET
1 2TV f
Em 1 TV f
此时，对L取：
RVE的要求： 1 、 RVE 的 尺 寸 << 整 体 尺 寸 ， 则宏观可看成一点；
2、RVE的尺寸>纤维直径；
3、RVE的纤维体积分数=复合材料的纤维体积分数。
纤维体积分数：
Vf
vf v
v f —纤维总体积；
v —复合材料体积
注意：
只有当所讨论问题的最小尺寸远大于代表性体积单元时，
复合材料的应力应变等才有意义。
并可由RVE的解向邻近单元连续拓展到整体时，所得的有效 弹性模量才是严格的理论解。
则只有满足上述条件的复合材料的宏观弹性模量才能通过 体积平均应力、应变进行计算；或按应变能计算。
复合材料细观力学 2
? * ? ? (? CS1 ? C 0 )?1 ? C(? 0 ? ?~) ? ** ? ? (S2 ? I )?1(? 0 ? ?~)
其中? C ? C1 ? C 0 , K ? (S1 ? I )(? CS1 ? C 0 )?1 基体和纤维材料体平均 应力场分布
? m ? ? 0 ? ?~ ? C 0 (? 0 ? ?~) ? f ? ? 0 ? ?~ ? ? 1 ? C0 (? 0 ? ?~ ? ? 1 ? ? * )
基体材料断裂韧性为 Gc ,令Ga ? Gc得到基体开裂的临界条 件
? 损伤演化方程
Cijkl (n...) ? Cijkl (C1, C 0 , f1, f2,? ,? ) 当外载由? 0增加到? 0 ? d? 0时,微裂纹个数由n增加到n ? dn 1 [ C ?1(n...)? 02 ? C ?1(n ? dn...)(? 0 ? d? 0 )2 ] ? EAdn
? W1
?
?
1 2
? 0? *dV
V1
微裂纹夹杂引起的自由能变化
? ? W ? W ? W1 ? W0
?
?
1 2
?
V2
0? **dV
设裂纹厚度远小于其半径t / a ? 0,取单个圆币型裂纹体积? ? 4 ?a 2t 3
? ? W ? ? 2 ?a 2
3
? 0t(S2 ? I )?1(? 0 ? ?~)dV
? ? m ? C 0 (S1 ? I )? *
纤维与基体界面上应力 分布：
?
C ij
?
?
f ij
?
C0 ijkl
(?
C
? M n 0
*
pqmn mn kp q
8-第八章_复合材料细观力学
纤维和基体必然承受相同的横向应力，均等于单元受
到的横向应力，有 f 2 m2 2
纤维和基体的横向应变为
f2
2
Ef
,
m2
2
Em
单元的横向变形是纤维和基体的变形之和，则有
w wf wm f 2wf m2wm
（8.8）
图8.6 代表性体积单元体 2方向拉伸示意图
Em
（8.9）
式（8.9）表示沿2方向的弹性模量倒数（柔量）满足混合律，该式可改写
成无量纲形式，即
ET
1
1
Em f Em / E f m 1 f 1 Em / E f
（8.10）
对于不同的弹性模量比Ef/Em，按式(8.10)确定的ET/Em随f 的变化曲线如图8.7
上述确定横向弹性模量ET时没有考虑纤维与基体之间的变形协调。通常纤 维和基体的泊松比不同，沿1方向的应变也不同，引起纤维与基体在界面处变
形不一致，这不符合实际情况（实际相同）。为了克服上述模型的缺点，可假
定沿1方向纤维与基体的应变相等，即 f 1 m1
（8.11）
为了保证变形协调，纤维和基体均为二向应力状态。当
图8.8 代表性体积单元体纯剪切示意图
由以上各式，可得复合 材料的表观面内剪切弹
1 f m f 1 f
GLT G f Gm G f Gm
GLT 性模量的表达式为：
（8.21） 这是复合材料的剪切模量倒数混合律。 上式亦可表示成无量纲形式，即
GLT
所示，在表8.1中列出ET/Em的一些数值。显然，要使横向弹性模量提高到基 体模量的2倍，需要50%以上的纤维体积分数。所以，一般纤维增强复合材料 的纤维体积分数都比较高。
复合材料结构设计第四章细观力学
• 玻璃纤维密度一般取2.54g/cm3，热固性树脂浇铸体的 密度近似取为1.27g/cm3 .则玻璃纤维增强塑料中纤维体 积含量可简化为：
1 mm vf 1 mm
（4.2.14）
4.3 单向连续纤维增强复合材料弹性 常数的预测
• 下图所示为复合材料单向板，将它简化为薄片 模型Ⅰ和薄片模型Ⅱ。模型Ⅰ的纤维薄片和基 体薄片在横向呈串联形式，故称为串联模型。 它意味纤维在横向完全被基体隔开，适用于纤 维所占百分比少的情况。模型Ⅱ的纤维薄片与 基体薄片在横向呈并联形式，故称为并联模型。 它意味纤维在横向完全连通，适用于纤维所占 百分比较高的情况。 • 一般说来，实际情况是介于两者之间的某个状 态。
mm f 1 1 m m m
（4.2.10）
f / m m f / m m f / mm
（4.2.11）
或者
f / m mf f / m vm / v f m / f mm m / f v f / vm
（4.2.12）
（4.2.13）
静力关系为： 12 f 12 f m12m
几何关系为：
(4.3.28) (4.3.29) (4.3.30)
12 f 12 m12
物理关系为： 12 12G12 , f 12 f 12G f 12 , m12 m12Gm12
将(4.3.27)代入(4.3.27)得
(4.3.20)
假设基体和纤维中剪切应力相等，即
12 f 12 m12
将上述三式整理并除以b得
(4.3.21)
1 1 1 I vf I v m I G 12 G f Gm
(4.3.22)
第七章复合材料力学性能的复合规律ppt课件
u m
（常见情况）
①当 Vf 较低时
单层板中纤维断裂（图7.11（d））而附加到基体 上的额外载荷不足以使基体开裂，而可以全部承受， 此时复合材料的强度为：
1u
muVm
u m
1Vf
②当 Vf 较高时 纤维断裂时，转移载荷大。
u 1
m
u f
m
Vf
1.0 0
u 1
uf Vf
m (1Vf )
1 Vm V f
或
E2 Em E f
E2
EmV f
EmE f E f (1 V f )
⑶单向板的主泊松比ν12
复合材料的主泊松比——是指在轴向外加应力时横 向应变与纵向应变的比值。
横向收缩，纵向伸长
主泊松比
12
2 1
1 —纵向应变
2 —横向应变
横向变形增量 W为：
W W f Wm
W
12
W
1
W f
f
VfW
1
Wm
m
VmW
1
121W V f f 1W Vm m1W
12 V f f Vm m
⑷单层板的面内剪切模量G12
假定纤维和基体所承受的剪切应力相等，并假 定复合材料的剪切特性是线性的，总剪切变量为D。
试样的剪切特性： f m
若试样宽度为W，则有剪切应变：
u 主要依赖于
1
u m
在纤维断裂前先发生
基体断裂，于是所有载荷转移到纤维上。
树脂破坏时（和破坏后）： m 0
刚破坏时： f f
纯树脂破坏时：
u 1
u m
纯纤维破坏时： u 1
u f
当V f 很小时，纤维不能承受这些载荷而破坏，故有：
复合材料力学讲义(第二版)2精品PPT课件
– Electrical conductivity, σe: Replace E by σe. – Thermal conductivity, k: Replace E by k.
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
CMCs: Increased toughness
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
CMCs: Increased toughness
• (A) Crack Deflection (偏转) – A crack meeting the reinforcement is deflected along the interface where energy is used to effect separation
– The properties of the fibre
– The properties of the resin
– The ratio of fibre to resin in the composite (Fibre Volume Fraction)
– The geometry and orientation of the fibres in the composite
TERMINOLOGY / CLASSIFICATION
• Composites
– Multiphase material w/significant proportions of ea. Phase
• Matrix — The continuous phase
– Purpose is to transfer stress to other pБайду номын сангаасases， protect phases from environment
Center for Composite Materials, Harbin Institute of Technology
CMCs: Increased toughness
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CMCs: Increased toughness
• (A) Crack Deflection (偏转) – A crack meeting the reinforcement is deflected along the interface where energy is used to effect separation
– The properties of the fibre
– The properties of the resin
– The ratio of fibre to resin in the composite (Fibre Volume Fraction)
– The geometry and orientation of the fibres in the composite
TERMINOLOGY / CLASSIFICATION
• Composites
– Multiphase material w/significant proportions of ea. Phase
• Matrix — The continuous phase
– Purpose is to transfer stress to other pБайду номын сангаасases， protect phases from environment
复合材料力学ppt
yx
y
yz
zx zy z
变形分析
物质坐标和空间坐标 应变张量的定义 微小应变张量的几何解释 主应变和应变主轴 应变协调方程
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
– 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
y z
z
变形协调方程
2 x y 2
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
x
xz y
xy z
yz x
2 2x yz
y
xy z
yz x
zx y
2 2y zx
z
yz x
zx y
xy z
2 2z xy
物理方程— 本构关系 Hooke 定理
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
复合材料力学讲义
加捻的纤维束增强了基体
第32页/共132页
圆形截面纤维增强复合材料对E2的影响
上述分析基于纤维的横截面为方形或矩形时导出实际为圆形，对模型进行修正欧克尔采用了折算半径的概念，令R=df/sdf为圆截面纤维的直径，s为纤维的间距
折算半径实际上反映了纤维含量体积比Vf的影响
第33页/共132页
圆形截面纤维增强复合材料对E2的影响
Ec = (0.4)(6.9x103 MPa) + (0.6)(72.4x103 MPa) = 46.2 x 103 MPa
第21页/共132页
刚度的材料力学分析方法
串联模型
与试验值相比，较小，由于纤维随机排列，兼有串联和并联的成分
(iso-stress)
表观弹性模量E2的确定：
第22页/共132页
引 言
第2页/共132页
引 言
用实验方法系统测定各种复合材料的宏观弹性特性和微观力学性能的关系涉及参数太多，费用巨大复合材料性能不稳定和试验误差，使试验结果较为分散单用试验手段很难获得全面的、系统的和有良好规律的结果，需要有理论配合微观力学研究改进复合材料宏观特性减少试验工作量反向推算复合材料中纤维和基体的平均特性
In Borsic fiber-reinforced aluminum, the fibers are composed of a thick layer of boron deposited on a small – diameter tungsten filament.
第7页/共132页
引 言
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引 言
简单层板假设宏观均匀线弹性宏观地正交各向异性无初应力纤维假设均匀性线弹性各向同性规则地排列完全成一直线
第32页/共132页
圆形截面纤维增强复合材料对E2的影响
上述分析基于纤维的横截面为方形或矩形时导出实际为圆形，对模型进行修正欧克尔采用了折算半径的概念，令R=df/sdf为圆截面纤维的直径，s为纤维的间距
折算半径实际上反映了纤维含量体积比Vf的影响
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圆形截面纤维增强复合材料对E2的影响
Ec = (0.4)(6.9x103 MPa) + (0.6)(72.4x103 MPa) = 46.2 x 103 MPa
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刚度的材料力学分析方法
串联模型
与试验值相比，较小，由于纤维随机排列，兼有串联和并联的成分
(iso-stress)
表观弹性模量E2的确定：
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引 言
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引 言
用实验方法系统测定各种复合材料的宏观弹性特性和微观力学性能的关系涉及参数太多，费用巨大复合材料性能不稳定和试验误差，使试验结果较为分散单用试验手段很难获得全面的、系统的和有良好规律的结果，需要有理论配合微观力学研究改进复合材料宏观特性减少试验工作量反向推算复合材料中纤维和基体的平均特性
In Borsic fiber-reinforced aluminum, the fibers are composed of a thick layer of boron deposited on a small – diameter tungsten filament.
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引 言
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引 言
简单层板假设宏观均匀线弹性宏观地正交各向异性无初应力纤维假设均匀性线弹性各向同性规则地排列完全成一直线
复合材料细观力学
EL E f f Emm E f f Em 1 f （8.6）
这就是复合材料沿纤维方向的弹性模量混
合律。EL与f具有线性关系，当f由0~1变化时，
EL从Em~Ef按线性变化，如图8.4所示。
图8.4 EL和f的关系
假设代表性体积单元长度为l，宽度为w，而且w=wf+wm(见图8.3)。当单
变形为w，如图8.6所示。根据沿2方向的平衡条件，
纤维和基体必然承受相同的横向应力，均等于单元受
到的横向应力，有 f 2 m2 2
纤维和基体的横向应变为
f2
2
Ef
,
m2
2
Em
单元的横向变形是纤维和基体的变形之和，则有
w wf wm f 2wf m2wm
（8.8）
图8.6 代表性体积单元体 2方向拉伸示意图
纤维与基体的相对比例是决定复合材料性能的重要因素，常用质量分数和
体积分数表示各相材料所占的比例。长为l，横截面为A的代表性体积单元，其
质量为m，密度为；该单元的纤维质量为mf，密度为f；基体质量为mm，密 度为m；纤维和基体的横截面分别为Af和Am。则有关系式
m m f mm （8.1）
Al Af l Aml
于是单元的
横向应变2为
2
w w
f
2
wf w
m2
wm w
f2
Ef
f
m2
Em
m
引入横向弹性模量ET，可建立单元的应变与应力关系为： 2 由以上各式可将复合材料的表观横向弹性模量
2
ET
ET表示为：
1 f m f 1 f
ET E f Em E f Em
（8.9）
式（8.9）表示沿2方向的弹性模量倒数（柔量）满足混合律，该式可改写
《复合材料力学》课件
《复合材料力学》PPT课 件
本课程将介绍《复合材料力学》的基本概念和原理，帮助您加深对复合材料 的理解。让我们一起探索这个引人入胜的领域！
课程介绍
本节课将介绍复合材料的定义和用途，以及复合材料的发展历程和重要性。
复合材料概述
碳纤维复合材料
探索碳纤维复合材料的独特性质 和广泛应用领域。
纤维增强复合材料
复合材料破坏
深入了解复合材料的破坏模式和失效预测方法。
层间剪切破坏
了解复合材料的层间剪切破坏机制源自阻尼性能。拉伸应力研究复合材料在拉伸载荷下的应力应变关系和断 裂性能。
剪切应力
了解复合材料在剪切加载下的应力传递和破坏行 为。
压缩应力
了解复合材料在压缩状态下的应力传递和稳定性。
应变分析
线性应变
研究复合材料的线弹性行为，理 解应变的定义和计算方法。
蠕变应变
深入了解复合材料的蠕变行为和 长期稳定性。
疲劳应变
探索复合材料在循环加载下的应 变累积和损伤机制。
了解纤维增强材料的制备方法和 优越性能。
复合材料的结构
深入了解复合材料的组成和层次 结构。
力学基础
1
静力学
了解复合材料在静态负载下的行为和力
动力学
2
学原理。
探索复合材料在动态负载下的响应和振
动特性。
3
固体力学
学习固体力学的基本概念和数学模型， 以理解复合材料的变形和应力分析。
应力分析
弯曲应力
探索复合材料受弯曲载荷时的应力分布和失效机 制。
弹性力学
1
胶合弹性性能
研究复合材料胶合界面的弹性行为和界
多层复合材料
2
面破坏机制。
了解多层复合材料的弹性性能和层间剪
本课程将介绍《复合材料力学》的基本概念和原理，帮助您加深对复合材料 的理解。让我们一起探索这个引人入胜的领域！
课程介绍
本节课将介绍复合材料的定义和用途，以及复合材料的发展历程和重要性。
复合材料概述
碳纤维复合材料
探索碳纤维复合材料的独特性质 和广泛应用领域。
纤维增强复合材料
复合材料破坏
深入了解复合材料的破坏模式和失效预测方法。
层间剪切破坏
了解复合材料的层间剪切破坏机制源自阻尼性能。拉伸应力研究复合材料在拉伸载荷下的应力应变关系和断 裂性能。
剪切应力
了解复合材料在剪切加载下的应力传递和破坏行 为。
压缩应力
了解复合材料在压缩状态下的应力传递和稳定性。
应变分析
线性应变
研究复合材料的线弹性行为，理 解应变的定义和计算方法。
蠕变应变
深入了解复合材料的蠕变行为和 长期稳定性。
疲劳应变
探索复合材料在循环加载下的应 变累积和损伤机制。
了解纤维增强材料的制备方法和 优越性能。
复合材料的结构
深入了解复合材料的组成和层次 结构。
力学基础
1
静力学
了解复合材料在静态负载下的行为和力
动力学
2
学原理。
探索复合材料在动态负载下的响应和振
动特性。
3
固体力学
学习固体力学的基本概念和数学模型， 以理解复合材料的变形和应力分析。
应力分析
弯曲应力
探索复合材料受弯曲载荷时的应力分布和失效机 制。
弹性力学
1
胶合弹性性能
研究复合材料胶合界面的弹性行为和界
多层复合材料
2
面破坏机制。
了解多层复合材料的弹性性能和层间剪
复合材料细观力学讲诉
混合律基础
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复合材料各组成相都是各向同性材料给定远场应变，由Voigt假设有
给定远场应力，由Reuss假设有
Voigt and Reuss假设适用于长纤维复合材料沿纤维方向的拉伸刚度，分别对应真实解的上下限
第45页/共57页
证 明
复合材料代表性单元内力势能为：
根据等应变假设，势能Voigt近似值为
第14页/共57页
复合材料有效弹性模量定义
两类均匀边界条件
在均匀边条作用下，除边界点附近可能有扰动存在，统计均匀复合材料应力场和应变场也是统计均匀的。即，代表性体积单元内场量=复合材料体积平均值
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证明
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式中上标0代表复合材料基体相，r代表复合材料第r类增强相
第22页/共57页
得到各向同性介质椭球体中，存在
S是四阶Eshelby张量，与材料性能和夹杂形状有关，具有椭圆积分形式，并可推广到各向异性介质和本征应变不均匀情况。对于特殊形状夹杂，可以写出解析表达式：
第23页/共57页
对于球形夹杂，具有下列形式：
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2.2 等效夹杂原理 由于椭球夹杂存在，则
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复合材料细观力学的核心任务建立复合材料宏观性能同其组分性能及其细观结构之间的定量关系，并揭示复合材料结构在一定工况下的响应规律及其本质，为复合材料优化设计、性能评价提供必要的理论依据及手段。追溯到19世纪爱因斯坦关于两种不同介电性能的电介质组成的复合电介质等效介电常数预报问题。50年代----70年代80年代快速发展90年代不可缺少
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复合材料结构设计复合材料本身是非均质、各向异性材料，因此复合材料力学在经典非均匀各向异性弹性力学基础上迅速发展。复合材料不仅是材料，更确切的说是结构以纤维增强的层合板结构为例，复合材料设计可分为三个阶段：1、单层材料设计，选择增强材料、基体材料、配比关系
复合材料力学基础
图16.6 应力转轴
30
第30页/共38页
31
横观各向同性材料的柔度矩阵为
第31页/共38页
16.8.4 各向同性材料
各向同性材料中每一点在任意方向上弹性特性 都相同，则刚度、柔度系数分别有下列关系
C11 C22 C33 , C12 C13 C23C44Fra bibliotekC55
C66
1 2
C11 C12
5
第5页/共38页
16.3 合材料的构造及制法
16.3.1 复合材料的基本形式 单层复合材料
（a）单层纤维
（b）交织纤维
图 16.1 单层复合材料构造形成
6
第6页/共38页
叠层复合材料
图16.2 叠层材料构造形式举例
7
第7页/共38页
16.3.2 复合材料的制造方法
1.玻璃纤维环氧复合材料
将环氧树脂基体浸渍玻璃纤维经烘干形成半成品材 料—预浸料，再通过不同成型方法得到各种制品，其 中有手糊方法、喷射成型、缠绕方法、层压方法等。
16
第16页/共38页
16.6.2 船舶工程中的应用
制造玻璃钢船，制造复合材料游艇和渔船。用混 杂复合材料制造高速舰艇
16.6.3 建筑工程中的应用
大型体育馆、厂房、市场等薄壳结构，各种建筑， 引水渡槽、桥梁附加水管导槽等建筑设施。
16.6.4 兵器工业中的应用
1. 坦克装甲上应用 2. 武器装备上应用
18
第18页/共38页
16.6.6 车辆制造工业中应用
1. 火车 2. 汽车 3. 自行车
16.6.7 电器设备中的应用
1. 强电设备 2. 电子设备 3. 家用电器
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横观各向同性材料的柔度矩阵为
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16.8.4 各向同性材料
各向同性材料中每一点在任意方向上弹性特性 都相同，则刚度、柔度系数分别有下列关系
C11 C22 C33 , C12 C13 C23C44Fra bibliotekC55
C66
1 2
C11 C12
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16.3 合材料的构造及制法
16.3.1 复合材料的基本形式 单层复合材料
（a）单层纤维
（b）交织纤维
图 16.1 单层复合材料构造形成
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叠层复合材料
图16.2 叠层材料构造形式举例
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16.3.2 复合材料的制造方法
1.玻璃纤维环氧复合材料
将环氧树脂基体浸渍玻璃纤维经烘干形成半成品材 料—预浸料，再通过不同成型方法得到各种制品，其 中有手糊方法、喷射成型、缠绕方法、层压方法等。
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16.6.2 船舶工程中的应用
制造玻璃钢船，制造复合材料游艇和渔船。用混 杂复合材料制造高速舰艇
16.6.3 建筑工程中的应用
大型体育馆、厂房、市场等薄壳结构，各种建筑， 引水渡槽、桥梁附加水管导槽等建筑设施。
16.6.4 兵器工业中的应用
1. 坦克装甲上应用 2. 武器装备上应用
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16.6.6 车辆制造工业中应用
1. 火车 2. 汽车 3. 自行车
16.6.7 电器设备中的应用
1. 强电设备 2. 电子设备 3. 家用电器
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