复合材料力学ppt演示教学
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第一部分 复合材料力学基础 第一章 绪 论
理论力学、弹性力学、材料力学 ✓运动、变形、受力…… ✓塑性变形、损伤失效……
✓均质、各向同性、线弹性……
复合材料力学？ 复合材料？
金属材料 的高峰
四分天下
• 人类历史上的材料应用的四次重大突 破
– 天然材料：新石器时代 – 人工材料：铜器和铁器时代 – 合成材料：塑料、橡胶 – 复合材料：玻璃纤维
– 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
始）
受力复 中机身段、中央翼盒 杂规模 ➢A380 中央翼盒 用量25%
大 ➢B787 机身 用量50%
第四阶段 （21世纪初开
始）
受力很大 代替钢结构
起落架用复合材料 ➢F-16 起落架后支撑杆 ➢NH-90 直升机起落架
国防、航空其它领域：
轻型飞机、通用航空领域（70-90%） 直升机（50%-80%） 无人机（50%-80%）
• 民用领域 • 基础设施 • 海洋石油工业 • 新能源工业 • 电子信息领域
复合材料在应用中对传统设计理 念所带来的冲击
复合材料的可设计性为材料开发 带来了无限的可能性
常规材料中存在的力学问题，复合 材料中依然存在，且更复杂；
复合材料中存在很多常规材料中不 存在的力学问题，如层间应力、边 界效应，纤维脱胶、断裂等
合材料 – 从简单复合到非线性复合效应的复合 – 从复合材料到复合结构 – 从机械设计到仿生设计
•复合材料的定义？
• 复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不 同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原 有组分材料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能 互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材 料的简单混合有本质的区别
与其它材料相比，复合材料对力学的这种需求显 得更为迫切
力学工作者对自己提出的要求是同时具备理论、 实验和计算机计算的三个方面的本领，才能应付 复合材料发展中所提出的问题.这些问题
增加有效载荷 增加射程和续航能力 减小能耗、降低成本 机动性能和生存能力
降低结构质量 提高结构效率
战略导弹弹头减少1Kg结构 重量，增加射程20Km
战略导弹三级固体火箭 发动机减少1Kg结构重量 ，增加射程16Km
某第三级固体发动机壳体采用碳/ 环氧复合材料后，结构质量由原 来的116千克降为46千克，仅此就
– 按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复 合材料等
• 复合材料关注的性能
− 强度、刚度、耐腐蚀性、疲劳寿命 − 与温度有关的性能和绝热性等 − 其它性能
• 可设计性 • 材料与结构的同一性
✓ 复合材料结构设计中包含材料设计
• 材料性能对复合工艺的依赖性 • 复合材料具有各向异性和非均质性的力学
• 自然界中普遍存在着天然复合材料
– 树木、骨骼、草茎与泥土复合等 – 天然材料几乎都是复合材料，采取复合的形式
是自然的规律
• 人类利用复合材料的历史经历了古代、 近代和现代三个阶段
– 房屋、纸张……
六千年以前，陕西西安半坡村的仰韶文化住房遗址 说明我国古人已经开始用草混在泥土中筑墙和铺地， 这种草泥就是最原始的纤维增强复合材料，它与现 代高性能纤维增强复合材料非常相似
复合材料的材料设计与结构设计是 同时进行，因而在复合材料设计、 加工工艺条件相互之间密切相关
力学其传统的兴趣中心已从结构分析转移到发展 更加符合实际的材料本构关系和更加有效而精确 的计算
由于本身发展的需要，要求力学在微结构的水平 上来研究材料的行为.通过研究微结构的变形、损 伤和破坏对材料宏观性能的影响来指出改进材料 的方向和途径
– 近现代逐步开始主动利用复合材料的功能性
玻璃钢、先进复合材料
天然 复合材料
玻璃钢
先进复合材料 树脂基复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 碳/碳复合材料
智能复合材料 仿生复合材料 功能复合材料 纳米复合材料 生物复合材料 材料复合结构
• 复合材料的内涵不断拓展
– 从宏观尺度的wk.baidu.com合到纳米尺度的复合 – 从结构材料到结构功能一体化材料和多功能复
– （1994年出版，师昌绪主编《材料大辞典》）
• 由两种以上材料组合而成的、物理和化学性质与原材料不同、但 又保持某些有效功能
• 一般一种材料作为基体，其他材料作为增强相 • 一定尺度上的组合
• 先进复合材料（Advanced Composite Materials， 简称ACM）是指加进了新的高性能纤维的而区别 于“低技术”的玻璃纤维增强塑料的复合材料
将导弹射程提高1000Km以上
第一阶段
受载不大的
（70年代初完成） 简单零部件
舱门、口盖、整流罩、方 向舵、襟副翼、雷达罩、
起落架舱门
第二阶段
承力大
（80年代初开始） 规模大
尾翼（垂尾、平尾）、前机身段、机翼 ➢F-14 硼/环氧复合材料平尾 ➢F/A-18 机翼 用量13%
第三阶段 （90年代末开
性能特点
• 耐疲劳性能好
金属材料疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50%，碳纤维增强树脂基复 合材料的约为70%~80%
• 阻尼减振性能好
基体和纤维界面有较大的吸收振动能量的能力
• 破损安全性好
不会突然丧失承载能力
• 耐化学腐蚀性、电、热性能好
• 界面强度低 • 延展性差，多为脆性材料 • 材料性能的分散性大 • 树脂基复合材料的耐热性较低
• (美国麻省理工学院材料科学与工程系教授J. P. Clark， 1985)
• 以碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶 纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用 高性能树脂、金属与陶瓷等为基体，制成的具有比玻 璃纤维复合材料更好性能的先进复合材料
• “到2020年，只有复合材料才有潜力获得2025%的性能提升，其中陶瓷基和聚合物基复合材 料的密度、刚度、强度、韧性和抗高温能力都可 能有如此大的改善，而被列为最优先发展的材 料”。
理论力学、弹性力学、材料力学 ✓运动、变形、受力…… ✓塑性变形、损伤失效……
✓均质、各向同性、线弹性……
复合材料力学？ 复合材料？
金属材料 的高峰
四分天下
• 人类历史上的材料应用的四次重大突 破
– 天然材料：新石器时代 – 人工材料：铜器和铁器时代 – 合成材料：塑料、橡胶 – 复合材料：玻璃纤维
– 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
始）
受力复 中机身段、中央翼盒 杂规模 ➢A380 中央翼盒 用量25%
大 ➢B787 机身 用量50%
第四阶段 （21世纪初开
始）
受力很大 代替钢结构
起落架用复合材料 ➢F-16 起落架后支撑杆 ➢NH-90 直升机起落架
国防、航空其它领域：
轻型飞机、通用航空领域（70-90%） 直升机（50%-80%） 无人机（50%-80%）
• 民用领域 • 基础设施 • 海洋石油工业 • 新能源工业 • 电子信息领域
复合材料在应用中对传统设计理 念所带来的冲击
复合材料的可设计性为材料开发 带来了无限的可能性
常规材料中存在的力学问题，复合 材料中依然存在，且更复杂；
复合材料中存在很多常规材料中不 存在的力学问题，如层间应力、边 界效应，纤维脱胶、断裂等
合材料 – 从简单复合到非线性复合效应的复合 – 从复合材料到复合结构 – 从机械设计到仿生设计
•复合材料的定义？
• 复合材料是指由有机高分子、无机非金属或金属等几类不 同材料通过复合工艺组合而成的新型材料，它既能保留原 有组分材料的主要特色，又通过材料设计使各组分的性能 互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一般材 料的简单混合有本质的区别
与其它材料相比，复合材料对力学的这种需求显 得更为迫切
力学工作者对自己提出的要求是同时具备理论、 实验和计算机计算的三个方面的本领，才能应付 复合材料发展中所提出的问题.这些问题
增加有效载荷 增加射程和续航能力 减小能耗、降低成本 机动性能和生存能力
降低结构质量 提高结构效率
战略导弹弹头减少1Kg结构 重量，增加射程20Km
战略导弹三级固体火箭 发动机减少1Kg结构重量 ，增加射程16Km
某第三级固体发动机壳体采用碳/ 环氧复合材料后，结构质量由原 来的116千克降为46千克，仅此就
– 按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复 合材料等
• 复合材料关注的性能
− 强度、刚度、耐腐蚀性、疲劳寿命 − 与温度有关的性能和绝热性等 − 其它性能
• 可设计性 • 材料与结构的同一性
✓ 复合材料结构设计中包含材料设计
• 材料性能对复合工艺的依赖性 • 复合材料具有各向异性和非均质性的力学
• 自然界中普遍存在着天然复合材料
– 树木、骨骼、草茎与泥土复合等 – 天然材料几乎都是复合材料，采取复合的形式
是自然的规律
• 人类利用复合材料的历史经历了古代、 近代和现代三个阶段
– 房屋、纸张……
六千年以前，陕西西安半坡村的仰韶文化住房遗址 说明我国古人已经开始用草混在泥土中筑墙和铺地， 这种草泥就是最原始的纤维增强复合材料，它与现 代高性能纤维增强复合材料非常相似
复合材料的材料设计与结构设计是 同时进行，因而在复合材料设计、 加工工艺条件相互之间密切相关
力学其传统的兴趣中心已从结构分析转移到发展 更加符合实际的材料本构关系和更加有效而精确 的计算
由于本身发展的需要，要求力学在微结构的水平 上来研究材料的行为.通过研究微结构的变形、损 伤和破坏对材料宏观性能的影响来指出改进材料 的方向和途径
– 近现代逐步开始主动利用复合材料的功能性
玻璃钢、先进复合材料
天然 复合材料
玻璃钢
先进复合材料 树脂基复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 碳/碳复合材料
智能复合材料 仿生复合材料 功能复合材料 纳米复合材料 生物复合材料 材料复合结构
• 复合材料的内涵不断拓展
– 从宏观尺度的wk.baidu.com合到纳米尺度的复合 – 从结构材料到结构功能一体化材料和多功能复
– （1994年出版，师昌绪主编《材料大辞典》）
• 由两种以上材料组合而成的、物理和化学性质与原材料不同、但 又保持某些有效功能
• 一般一种材料作为基体，其他材料作为增强相 • 一定尺度上的组合
• 先进复合材料（Advanced Composite Materials， 简称ACM）是指加进了新的高性能纤维的而区别 于“低技术”的玻璃纤维增强塑料的复合材料
将导弹射程提高1000Km以上
第一阶段
受载不大的
（70年代初完成） 简单零部件
舱门、口盖、整流罩、方 向舵、襟副翼、雷达罩、
起落架舱门
第二阶段
承力大
（80年代初开始） 规模大
尾翼（垂尾、平尾）、前机身段、机翼 ➢F-14 硼/环氧复合材料平尾 ➢F/A-18 机翼 用量13%
第三阶段 （90年代末开
性能特点
• 耐疲劳性能好
金属材料疲劳强度极限是其拉伸强度的30%~50%，碳纤维增强树脂基复 合材料的约为70%~80%
• 阻尼减振性能好
基体和纤维界面有较大的吸收振动能量的能力
• 破损安全性好
不会突然丧失承载能力
• 耐化学腐蚀性、电、热性能好
• 界面强度低 • 延展性差，多为脆性材料 • 材料性能的分散性大 • 树脂基复合材料的耐热性较低
• (美国麻省理工学院材料科学与工程系教授J. P. Clark， 1985)
• 以碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、芳纶 纤维、高密度聚乙烯纤维等高性能增强材料，并使用 高性能树脂、金属与陶瓷等为基体，制成的具有比玻 璃纤维复合材料更好性能的先进复合材料
• “到2020年，只有复合材料才有潜力获得2025%的性能提升，其中陶瓷基和聚合物基复合材 料的密度、刚度、强度、韧性和抗高温能力都可 能有如此大的改善，而被列为最优先发展的材 料”。