复合材料力学第三章2
复合材料力学课程设计
复合材料力学课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解复合材料的定义、分类和基本性质，掌握复合材料的基本力学原理；2. 使学生掌握复合材料力学性能的表征方法，了解影响复合材料力学性能的因素；3. 引导学生运用所学知识，分析复合材料在工程实际中的应用，并能解决简单问题。
技能目标：1. 培养学生运用数学和力学知识分析复合材料力学问题的能力；2. 提高学生设计复合材料结构的能力，能根据实际需求选择合适的复合材料和结构；3. 培养学生通过实验和计算等方法，对复合材料力学性能进行测试和评估的能力。
情感态度价值观目标：1. 激发学生对复合材料及其力学性能的兴趣，培养学生对材料科学的热爱；2. 培养学生的创新意识和团队协作精神，让学生在探讨问题中学会尊重他人意见；3. 使学生认识到复合材料在现代科技发展中的重要性，增强学生的社会责任感和使命感。
课程性质：本课程为高二年级选修课程，旨在让学生在掌握力学基础知识的基础上，进一步学习复合材料的力学性质及其应用。
学生特点：高二学生在知识结构、思维能力和实践能力方面有一定基础，具备一定的自主学习能力和合作探究精神。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，充分调动学生的主观能动性，提高学生的创新能力和实践操作能力。
在教学过程中，注重目标导向，分解课程目标为具体学习成果，以便教学设计和评估。
二、教学内容1. 复合材料概述- 复合材料的定义、分类及特点- 复合材料的应用领域2. 复合材料基本力学原理- 弹性力学基础理论- 复合材料的应力-应变关系- 复合材料的强度理论3. 复合材料力学性能表征- 弹性模量、泊松比等力学性能参数- 力学性能测试方法及设备- 影响复合材料力学性能的因素4. 复合材料设计与应用- 复合材料结构设计原则- 复合材料选材及结构优化- 复合材料在工程实际中的应用案例5. 复合材料力学问题分析- 简单复合材料结构的力学分析- 复合材料力学问题的求解方法- 复合材料力学问题的实验研究教学大纲安排：第一周：复合材料概述第二周：复合材料基本力学原理第三周：复合材料力学性能表征第四周：复合材料设计与应用第五周：复合材料力学问题分析教材章节：第一章：复合材料概述第二章：复合材料基本力学原理第三章：复合材料力学性能表征第四章：复合材料设计与应用第五章：复合材料力学问题分析教学内容与课程目标紧密关联，旨在确保学生掌握复合材料力学的基本知识和实践应用，注重内容的科学性和系统性。
复合材料ppt课件
第三章 例：
连续纤维单向增强复合材料，当只采用一种纤维增强时，复合材料 沿纤维方向的拉伸强度可以表示为：
除其优异性能外，复合材料还具有可设计性，可以根据 对材料的性能要求，在基体、增强材料的类型和含量上 进行选择，并进行适当的制备与加工。
第三章 3.5.2 复合材料复合原理
由于复合材料是由两种或两种以上不同的材料组分复合而 成的，除工艺因素外，基体和增强材料的性能必然影响复 合材料的性能。此外增强材料的形状、含量、分布以及与 基体的界面结合、结构也会影响复合材料的性能。
第三章
第三章
在民用工业如机械工业、交通运输、建筑工业以及生物医 学、体育等领域，由于3-73 玻璃钢建筑材料用于上海东方明珠电视塔大堂装潢(左) 复合材料(玻璃钢)制作的渔船 （右）
第三章
复合材料与基体材料相比具有以下优异的性能：
（1）比强度（强度/密度）和比模量（弹性模量/密度）高； （2）抗疲劳性能好； （3）高韧性和抗热冲击性，在PMC和CMC中尤为重要； （4）耐热性高； （5）减振性能好； （6）耐烧蚀性、耐磨损、导电和导热； （7）特殊的光、电、磁性能等。
第三章
颗粒增强复合材料的弹性模量与颗粒体积分量的关系
第三章
混合法则简明表达了复合材料的性能与基体、增强材料性能之间的 关系，但在应用混合法则对复合材料性能进行估算时，由于增强材 料的形状、长径比、分布以及基体与增强材料的结合等因素，还需 要对此进行一定的修正。
复合材料力学第三章2
,
F2
1 Yt
1 Yc
若Yt
Yc 则
F22
1 Yt 2
,
F2 0
3.面内剪切试验：
6 S,1 2 0 F66S 2 1 强度参数 F12的确定：
F66
1 S2
由于F12 是1 2相乘项的系数，必须采用双轴试验， 或其它组合应力试验，使1 2项不为零。
假如 1 2 0（极限应力）6 0 代入蔡—胡
s
在平面应力状态： z yz zx 0
2 x
2 y
x y
3
2 xy
2 s
写成无量纲形式：
x s
2
y s
2
x y s2
2
3 xy s
1
在纯剪状态下： x
y
0
, xy
s
3
s
上式写成：
x s
2
y s
2
x y s2
xy
s
2
1
16
这就是平面应力状态下的Mises屈服准则 简单层板也处于平面应力状态，它的单轴拉伸 或纯剪状态的强度为：X , Y , S
F11
2 1
2F121 2
F22
2 2
F66
2 6
F11
F2 2
1
经过整理，得：
2
2
2
F111 2F121 2 F22 2 F66 6 2F161 6
2F26 2 6 F11 F2 2 F6 6 1
23
即 Fiji j Fii 1 i, j 1, 2,6
其中：
F11 F22 F12 F66
12 S
与最大应力破坏准则相比较，多了一项另一个 材料主方向应力的影响项，如果泊松耦合系数很 小，则影响就很小。
复合材料原理第二版课后答案
复合材料原理第二版课后答案复合材料原理第二版课后答案第一章：绪论1.什么是复合材料？复合材料是由两种或两种以上的材料组成的各司其职、相互补充的一种材料。
2.复合材料的特点有哪些？复合材料具有强度高、刚度大、重量轻、抗腐蚀性强、无疲劳断裂、易成型等特点。
3.复合材料的分类有哪些？按矩阵分类有无机复合材料和有机复合材料；按增强材料分类有无定向增强和定向增强。
第二章：基础知识1.复合材料的加工方式有哪些？常用的复合材料加工方式有手工层压法、自动层压法（RTM、RTM-L、VARTM等）、注塑法、卷制法、旋转成型法等。
2.复合材料中的力学基础知识有哪些？复合材料中的力学基础知识包括应力、应变、应力应变关系、拉伸和压缩、剪切和弯曲等。
3.复合材料中的热力学基础知识有哪些？复合材料中的热力学基础知识包括热膨胀、热导率、热扩散系数等。
第三章：复合材料的基本组成1.复合材料的基本组成是什么？复合材料的基本组成是增强材料和矩阵材料。
2.复合材料的增强材料有哪些？复合材料的增强材料主要有碳纤维、玻璃纤维、聚合物纤维、金属纤维等。
3.复合材料的矩阵材料有哪些？复合材料的矩阵材料主要有四类，即金属基矩阵材料、有机高分子基矩阵材料、无机非金属基矩阵材料、无机金属基矩阵材料。
第四章：复合材料的制备过程1.复合材料的制备过程有哪些？复合材料的制备过程一般包括预处理、增强体制备、矩阵制备、复合成型和后处理等步骤。
2.复合材料的预处理有哪些？复合材料的预处理包括增强体表面处理、矩阵材料预处理、增强体和矩阵的匹配等。
3.如何选择复合材料的制备方法？选择复合材料的制备方法需要考虑到其应用环境和性能要求。
第五章：复合材料的性能和应用1.复合材料的性能有哪些？复合材料的性能包括机械性能、物理性能、化学性能等。
2.复合材料的应用领域有哪些？复合材料的应用领域包括航空航天、轨道交通、建筑结构、汽车制造、石油化工等领域。
3.复合材料的未来发展趋势是什么？未来复合材料的发展趋势是多材料复合、纳米复合、生物仿生等方向的综合发展。
第3章 复合理论
改变环境气氛。 固体或液体表面吸附的不同气体能
改变Sv和LV。在氧化性气氛中制造Ni-A12O3复合材料 时也能降低接触角而提高材料的性能。
提高液态金属压力。 提高掖相压力可以改善其对
固体的润湿性。液态金属不能自发渗入纤维束中，只 有在一定外压作用下克服阻力金属才能渗入。各种类 型的加压浸渍工艺便是在此基础上发展起来的。
阻断效应：
散射和吸收效应：
界面效应
诱导效应：
增强材料的表面晶体结构会对基体的晶体结 构产生诱导作用，使其发生改变，由此产生 一系列的性能变化，如高弹性、低膨胀、耐 冲击和耐热等。
不连续效应：
在界面上产生物理性能的不连续性和界面摩 擦出现的现象，如抗电性、电感应性、磁性、 耐热性、尺寸稳定性等。
如果γsv<γsl，θ>90。，液体不能润湿固体； 如果γsv>γsl，θ<90。，液体能润湿固体； 如果γlv=γsv-γsl，θ=0。，液体能完全润湿固体； 如果γsv=γsl-γlv ，θ=180。，液体完全不润湿固体。
提高固体表面张力，降低固液界面张力都能改 善液态金属基体对固态增强材料的润湿性。
界面分类
根据增强材料与基体的相互作用情况，界面可以归 纳为三种类型。 类型Ⅰ:增强材料与基体互不溶解、互不反应； 类型Ⅱ:增强材料与基体不反应，但能相互溶解； 类型Ⅲ:增强材料与基体相互反应，生成界面反 应产物。
金属基复合材料的界面类型
界面类 型
界面特 征
类型Ⅰ
增强材料与基 体互不溶解、 互不反应 W丝/Cu Al2O3f/Cu Bf/Al Al2O3/Al SiCf/Al Bf/Mg
复合材料力学2-5章
第二章单向层合板的正轴刚度本章的一些讲法与讲义次序不同，请同学们注意，另外一些在材料力已阐明的概念，如应力、应变等在这里不再强调，希望大家能自学与复习。
§2—1 正交各向异性材料的特点●各向同性材料●各向异性材料我们这里所指的各向异性材料的特点仅仅是指在不同方向上材料的力学性质不同（机械性能）。
●正交各向异性材料正交各向异性材料是一种特殊的各向异性材料。
其特点为: 这类材料有三个互相垂直的弹性对称面（与弹性对称面对称的点性质相同），在平行方向上的弹性质(力学特性)均相同。
如多层单向板，当不考虑纤维与基体性质的不均匀性，粘结层又很薄可以忽略，即把它写作“连续匀质”材料看，则三个弹性对称面分别为：与单层平行的面及与它垂直的纵向、横向的两个切面。
板上任何两点，在平行方向上的力学性质是一样的。
把这三个弹性平面相交的三个轴称为弹性主轴，也称为正轴。
下图是一种典型的正交个向异性材料，当厚度很小时可处理为正交个向异性板。
用宏观力学处理连续纤维增强复合材料层压板结构时，总是把单向层板作为基本单元来分析层合板。
层合板的组成增强纤维排列方向一致所粘合的薄层称单向(单层)板（层），有时把很多单层粘合在一起，各层的纤维排列方向均一致，也称单向板。
正轴的弹性常数正交各向异性弹性体，1、2、3轴为它的弹性主轴，则沿这三个轴共有9各独立弹性常数。
1E 、2E 、3E ——杨氏模量； 12G 、13G 、23G ——剪切模量； 21v 、31v 、32v ——泊松系数。
21v 表示在1方向拉伸时在2方向产生的收缩效应系数；同样，12v 表示在2方向拉伸时在1方产生的收缩效应系数。
1221v v ≠ 这点与各向同性材料不同。
并有关系式212121E v E v = 313131E v E v = 323232E v E v = ∴ 12v、13v 、23v 是不独立的系数。
顺便指出，有的文献定义12v 为1方向拉伸时在2方向的收缩系数。
复合材料力学课后答案
复合材料力学课后答案1. 引言。
复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的材料，具有优良的综合性能，被广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。
复合材料力学是研究复合材料在受力作用下的力学性能和行为的学科，对于了解复合材料的性能和设计工程结构具有重要意义。
本文将针对复合材料力学课后习题进行解答，帮助学生加深对复合材料力学的理解。
2. 课后答案。
2.1. 什么是复合材料？复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的材料，通过各种方式相互作用形成一种新的材料。
复合材料通常由增强相和基体相组成，增强相起到增强和刚度作用，基体相起到传递载荷和保护增强相的作用。
2.2. 复合材料的分类有哪些？根据增强相的形式，复合材料可以分为颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和层合板复合材料；根据基体相的形式，复合材料可以分为金属基复合材料、塑料基复合材料和陶瓷基复合材料。
2.3. 复合材料的力学性能有哪些？复合材料的力学性能包括强度、刚度、韧性、疲劳性能等。
其中，强度是指材料抵抗外部力量破坏的能力；刚度是指材料抵抗形变的能力；韧性是指材料抵抗断裂的能力；疲劳性能是指材料在循环载荷下的耐久性能。
2.4. 复合材料的力学行为受哪些因素影响？复合材料的力学行为受到多种因素的影响，包括增强相的类型、含量和排布方式，基体相的类型和性能，界面的结合情况，制备工艺等因素都会对复合材料的力学行为产生影响。
2.5. 复合材料的应用领域有哪些？复合材料由于其优良的性能，在航空航天、汽车、建筑、体育器材等领域得到了广泛的应用。
例如，航空航天领域的飞机机身、汽车领域的碳纤维车身、建筑领域的钢-混凝土复合梁等都是复合材料的典型应用。
3. 结论。
通过对复合材料力学课后习题的解答，可以加深学生对复合材料力学的理解，帮助他们更好地掌握复合材料的基本概念、分类、力学性能、影响因素和应用领域。
同时，也可以引导学生将理论知识应用到实际工程中，为未来的工程实践打下坚实的基础。
第三章 复合材料的增强体
18
五、玻璃纤维
玻璃纤维是以玻璃球或废旧玻璃为原料经 高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制成，单 丝直径为几微米到几十微米。
19
无碱玻璃纤维（E玻纤）：以钙铝硼硅酸盐组成，纤维强度高，耐热性 无碱玻璃纤维（ 玻纤）：以钙铝硼硅酸盐组成，纤维强度高， 玻纤）：以钙铝硼硅酸盐组成 和电性能优良，抗大气侵蚀，化学稳定性较好（不耐酸）。 ）。碱性氧化 和电性能优良，抗大气侵蚀，化学稳定性较好（不耐酸）。碱性氧化 物含量小于1%。 物含量小于 。 中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量在 之间。 中碱玻璃纤维：碱金属氧化物含量在11.5%~12.5%之间。耐酸性好， 之间 耐酸性好， 强度不如E玻纤 价格便宜。 玻纤， 强度不如 玻纤，价格便宜。
30
玻璃纤维的制造：
三个步骤：制球、拉丝、 三个步骤：制球、拉丝、纺织 （1）制球：将砂、石灰石、硼酸等玻璃原料干混后，送入 玻璃熔窑内（约1260℃）制成玻璃液，玻璃液从熔窑中缓 慢流出，经制球机制成直径约为1.8cm的玻璃球。
31
（2）拉丝 拉丝过程中用浸润剂的作用： 拉丝过程中用浸润剂的作用： 原丝中的纤维不散乱而能 相互粘附在一起； 相互粘附在一起； 防止纤维间磨损； 防止纤维间磨损； 便于纺织加工。 便于纺织加工。
碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性，沿纤 碳纤维由高度取向的石墨片层组成，具有明显的各向异性， 维轴向性能高，沿横向性能差。 维轴向性能高，沿横向性能差。
5
碳纤维的制造：
（1）气相法：在惰性气氛中小分子有机物（如烃或芳烃等）在高 ）气相法：在惰性气氛中小分子有机物（如烃或芳烃等） 温沉积而成纤维。该法适宜制取短纤维或晶须。 温沉积而成纤维。该法适宜制取短纤维或晶须。 （2）有机纤维碳化法：先将有机纤维经过稳定化处理变成耐焰纤 ）有机纤维碳化法： 维，然后再在惰性气氛中在高温下进行煅烧碳化，使有机纤维 然后再在惰性气氛中在高温下进行煅烧碳化， 失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维。 失去部分碳和其他非碳原子，形成以碳为主要成分的纤维。此 法可制备连续长纤维。 法可制备连续长纤维。
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S G12
把这些线性关系代入最大应变破坏准则，得：
1
1
E1
12
2
E1
Xt
Xt E1
Yt 2 21 Yt E2 E2 E2 S 12 S G12 G12
1 12 2 X t
2
1
12
2 21 1 Yt 12 S
n4 m4 m2 n2 4m 2 n 2 2mn3
2m 2 n 2 2m 2 n 2 m4 n4 8m 2 n 2 2 mn3 m3n
2m3n 2 m3n mn3
与柔度转换矩阵相同
F 11 m 2 n 2 F22 2 m2 n2 F 12 mn3 m3n F66 m3n mn3 m2 n2 m2 n2
2 2 2
四、蔡—胡（Tsai—Wu）张量理论
简写形式：Fij i j Fii 1 i, j 1,2,6 展开形式： 2 2 F11 12 2 F12 1 2 F22 2 F66 6 2F16 1 6 2 F26 2 6 F1 1 F2 2 F6 6 1 Fi , Fij 分别是二阶和四阶强度参数
2 F 2 F F 11 12 22 0 F1 F2 0 1
把上面试验得出 F11 , F22 , F1 , F2的代入上式得：
1 1 1 1 1 1 1 F12 1 0 2 2 0 X t X c Yt Yc X t X c YtYc 2 0
它是由各向同性材料的形变比能理论推广而 来的Mises屈服准则
1 2
2 2 2 6 x y y z z x yz zx xy s 2 2 2
在平面应力状态： z yz zx 0
由此式就得到强度参数 F12 F1 F2 0 时， 在 X t X c , Yt Yc
蔡—胡（Tsai—Wu）张量理论公式得：
1 2 6 2 F12 1 2 1 S X t Yt
2 2 2
包括6个强度参数，下面利用简单试验来确定 1. 纵向拉伸和压缩试验 1 X t , 2 6 0 F11 X t2 F1 X t 1
2 1 X c , 2 6 0 F11 X c F1 X c 1 联立求解得：
1 1 1 F11 , F1 Xt Xc Xt Xc 1 若 X t X c 则 F11 2 , F1 0 Xt
1 12 2 X t 或压缩时 1 12 2 X c
2 211 Yt 或压缩时 2 211 Yc
12 S
与最大应力破坏准则相比较，多了一项另一个 材料主方向应力的影响项，如果泊松耦合系数很 小，则影响就很小。
三、蔡—希尔（Tsai—Hill）强度理论（破坏准则）
§3-2 简单层板的正轴工程弹性常数和基本 强度的实验确定
简单层板是正交各向异性材料，它有四个工 程弹性常数 E1 , E2 ,12 , G12和五个基本强度
X t 纵向拉伸强度 X c 纵向压缩强度
S 面内剪切强度
Yt 横向拉伸强度
Yc 横向压缩强度
实验时，分别沿材料主方向上做单轴拉伸或单 轴压缩或者圆管扭转试验来测量以上9个工程材料 常数。
实测结果
1
E1
1极限 X t
1
1 E1 1 1 X 1极限 t
计算结果 实测结果
应力—应变曲线
1
2
1
L
2
L
2
2
2
沿2方向单轴拉伸
2 2 1 定义： 1 L 2 2 2 2 2 L 2 1 21 2 2
2 2 2
x y x y xy 上式写成： 2 1 s s s s
2
2
2
这就是平面应力状态下的Mises屈服准则 简单层板也处于平面应力状态，它的单轴拉伸 X,Y , S 或纯剪状态的强度为： 把Mises强度准则中 s , s的换成 X , Y , S ，就是 蔡—希尔准则：x 轴与材料主方向1轴重合，y 轴 与2轴重合
2. 横向拉伸和压缩试验
2 Yt ,1 6 0 F22Yt 2 F2Yt 1 2 F Y 2 Yc ,1 6 0 22 c F 2Yc 1
1 1 1 F22 , F2 联立求解得： YY Yt Yc t c 1 若Yt Yc 则 F22 2 , F2 0 Yt
第三章 简单层板的强度理论
§3-1 简单层板强度的基本概念
§3-2 简单层板的正轴工程弹性常数 和基本强度的实验确定
§3-3 简单层板强度理论（破坏准则）
§3-4 强度比方程
§3-1
简单层板强度的特点
各向同性材料强度仅为单参数 u 表征， 简单层板材料强度是方向的函数 1. 在板材料的主方向定义强度—正轴强度 2. 主应力和主应变概念无意义。主应力和 主应变方向与材料的主方向不一定重合
2 2 2
即 Fij i j Fi i 1 i, j 1, 2,6 其中：
4 m F11 n4 F22 2 2 mn F12 2 2 F 4m n 66 3 F16 2m n 3 F 2 mn 26
纵向强度Xt和Xc相差不大 横向强度Yt和Yc相差很大 正轴面内剪切强度S+和S-无区别。
45.0°
X X’
Y’
Y
正
45.0°
负
正轴剪切
偏轴面内剪切强度S+和S-区别很大
45.0°
纵向拉 横向压
45.0°
纵向压 横向拉 （横向不抗拉）
偏轴剪切
2
1
2
L
1
L
1
1
1
沿1方向单轴拉伸
1 1 1 定义： 1 L 1 2 1 1 2 L 1 2 12 1 1
1 2 1 2 12 1 单轴拉伸时 2 Xt S X t Yt
2 2 2
或
1 2 1 2 12 1 单轴压缩时 2 Xc S X c Yc
“ ”表示偏轴情况。 Fij , Fi 为偏轴强度参数
x 1 i , j 为偏轴应力分量 y 2 xy 6
利用应力转换公式：
2 n2 2mn x 1 m n 2 2 m 2mn y 2 2 2 mn mn m n 12 xy
将它代入蔡—胡张量理论公式：
2 2 F1112 2F121 2 F22 2 F66 6 F11 F2 2 1
经过整理，得：
F11 1 2 F12 1 2 F22 2 F66 6 2 F16 1 6 2 F26 2 6 F1 1 F2 2 F6 6 1
1 2 12 2 1 1 1 4 2 4 cos sin cos sin Ex E1 E1 E2 G12 1 2 12 1 1 1 E1 E1 G12 E2 4
G12 4 1 1 2 12 Ex E1 E2 E1 1
2
E2
2极限 Yt
2
应力—应变关系曲线
2 E2 2 2 Y 2极限 t
同样可做沿1方向单轴压缩试验，得
X c 1极限
沿2方向单轴压缩试验，得
Yc பைடு நூலகம் 2极限
由
12 21
E1 E2
互等关系式来检查实验数据的可靠性
测量 G12 的方法很多，但测量 S 的方法不多。
x
1
12
12 G12 12
计算结果
S 12极限
T极限 2 r 2t
x
2. 另一种办法是实测 Ex，再由 已知 E1 , E2 ,12 , Ex 计算 G12 但 测不出 S 2
x 实测结果
x Ex 计算结果 x
由前面偏轴用正轴工程弹性常数表示的关系式 可知：
2 2 2 x y x y 3 xy s2
写成无量纲形式：
x y x y 3 xy 1 2 s s s s s s 在纯剪状态下： x y 0 , xy 3
二、最大应变理论 是各向同性材料最大线应变理论推广而来的
1 X 2 Y
t
t
或压缩时
1 X 2 Y
c
12 S
c
在简单层板线弹性范围内有极限应力与极限应 变的一一对应关系：
X
t
Xt Xc , Xc E1 E1
S
Yt Yc Yt , Yc E2 E2
下面介绍一下常使用的办法，既能测量 G12 又 能测量 S 。
1.薄壁圆管扭转试验: 纤维铺设方向平行于圆管轴 向，或者平行于周向。
1
T
t
r
T
12
2
L 圆管扭转试验
圆管半径 r ，长 L ，壁厚为 t ，纤维铺设平 行的轴线为1轴，周向为2轴.
12
G12
S
r 由定义： 12 L 实测结果 T 12 2 r 2t