复合材料力学ppt

国外航空复合材料发展历史
受载不大的 第一阶段 （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 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%
承力大 第二阶段 （80年代初开始） 规模大
第三阶段 中机身段、中央翼盒 受力复杂 （90年代末开 A380 中央翼盒 用量25% 规模大 始） B787 机身 用量50% 第四阶段 （21世纪初开 始） 起落架用复合材料 受力很大 F-16 起落架后支撑杆 代替钢结构 NH-90 直升机起落架
应力张量:
x xy xz yx y yz zx zy z
x xy xz 2u fx 2 x y z t 2 v yx y yz fy 2 x y z t 2 z w zy zx fz 2 y z t x
•复合材料的定义？
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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
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（1994年出版，师昌绪主编《材料大辞典》）
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 y z
u , x v , y w , z
yz zx xy
w v ; y z x u w ; yx z x v u zx . x y
复合材料力学
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
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人类历史上的材料应用的四次重大突 破
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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
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合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/
碳复合材料等
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按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复 合材料等
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复合材料关注的性能
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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Hale Waihona Puke 能复合材料的特点• •
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
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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 性能特点
y
2
z 2
yz z 2 yz y
2 2
2 z 2 x 2 xz 2 2 zx x z
2 xy yz y zx z x y 2 zx yz xy zx 2 z x y z 2 xy
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(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
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“到2020年，只有复合材料才有潜力获得20-25%
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自然界中普遍存在着天然复合材料
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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
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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
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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
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”。
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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
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复合材料包括三要素：
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基体材料
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增强相
复合方式（界面结合形式）
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复合材料的分类
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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
碳纳米管增强材料的导电性能预测
材料数据 • CNT电导率： 200S/m • 界面相电导率：150S/m（用于模拟 隧道效应） • 数值基体导电性：1E-12S/m
第一部分 复合材料力学基础 第二章 各向异性弹性力学
§2.1 弹性力学基础 §2.2 各向异性弹性体的应力-应变关系 §2.3 正交各向异性材料的工程弹性常数
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
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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
• 树脂基复合材料的耐热性较低
复合材料的应用
国防、航空航天领域——轻质化
增加有效载荷 增加射程和续航能力 减小能耗、降低成本
降低结构质量
机动性能和生存能力 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 就将导弹射程提高1000Km以上
玻璃钢、先进复合材料
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近现代逐步开始主动利用复合材料的功能性

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
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复合材料的内涵不断拓展
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从宏观尺度的复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 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

微观力学


细观力学方法

复合材料力学研究内容
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复合材料力学基础问题
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研究复合材料的微观和宏观力学特性、包括刚 度、强度、破坏机理、断裂、疲劳、冲击、损 伤、应力集中、边界效应、环境响应和力学测 试等力学问题 研究复合材料结构的应力、变形、稳定和振动 等问题
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复合材料结构力学
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复合材料力学成功应用的案例

力学与复合材料



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 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 各向异性、多相性，内部微结构及其损伤的随 机性，损伤模式的多样性和损伤材料的离散性， 对环境影响的敏感性，材料的可设计性，性能 对制造工艺的依赖性(残余应力，界面结合的影 响等等)

xy y zy
x z y z z
变形协调方程
y xy 2 x 2 2 xy y x
2 2
x y z
xz xy yz y z x
2 x 2 yz
复合材料力学的认识
固体力学：结构受力分析与材料的力学性能 弹性力学 材料力学 材料学：从材料的物理、化学性质、材料工艺、 结构、组分的角度 复合材料学

复合材料力学的认识

宏观力学

假设材料是均质的，只从复合材料的平均表观性质来检 验组份材料的作用 从微观的角度检验组份材料之间相互影响研究复合材料 的性能 固体力学与材料科学之间的交叉科学，从材料的细观结 构入手，研究其与材料力学性能的关系
0癬exp 15癬exp 30癬exp 45癬exp 60癬exp 90癬exp 0? Digi 15癬Digi 30癬Digi 45癬Digi 60癬Digi 90癬Digi
True stress (MPa)
Modulus (MPa)
20 0
Angle (?
60
80
100
0
0,02
0,04
0,06
0,08
True strain
各角度弹塑性曲线的预测结果对比
各角度弹性模量预测结果对比
多孔陶瓷的脆性断裂研究 脆性损伤演化过程（孔隙率30%）
孔隙率对脆性损伤的影响（孔隙率50%-60%-70%）
玻璃微珠部分替代玻纤纤维
保证材料刚度下降5%以内 材料成本下降20%，工艺时间下降29% 微珠的加入改善了材料内部的应力集中情况， 从而提高了材料的强度
物理方程— (本构关系) Hooke 定理
x C 11 y C 21 C 31 z C 41 yz C zx 51 C 61 xy
C 12 C 22 C 32 C 42 C 52 C 62
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

复合材料应用中的力学问题！
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 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
PAGF材料的线性和非线性性能预测
360 gate α Tensile specimen Thickness=2,1mm
11000 10000 9000
50 50 100
试样制备示意图
Digimat Experience
200 180 160
140 120 100 80 60 40
8000 7000 6000 5000 4000 0 20 40
A380复合材料部件 (用量23%)
Boeing 787 结构材料构成

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%）
其它领域
• 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
复合材料应用中的机遇和挑战！
复合材料的优点
• 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
复合材料的缺点
• 界面强度低
• 延展性差，多为脆性材料 • 材料性能的分散性大
§2.1 弹性力学基础
弹性力学基本假设



连续性假设 完全弹性假设 均匀性假设 各向同性假设 小变形假设 无初应力假设
弹性力学基本方程
应力分析
应力矢量的定义
斜面上的应力——应力张量
应力张量的坐标变换 平衡方程，剪应力互等定理
主应力和应力主轴
最大剪应力
平衡方程
C 13 C 23 C 33 C 43 C 53 C 63
C 14 C 24 C 34 C 44 C 54 C 64
C 15 C 25 C 35 C 45 C 55 C 65