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1、 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人类历史上的材料应用的四次重大突 破破 天然材料：新石器时代天然材料：新石器时代 人工材料：铜器和铁器时代人工材料：铜器和铁器时代 合成材料：塑料、橡胶合成材料：塑料、橡胶 复合材料：玻璃纤维复合材料：玻璃纤维 自然界中普遍存在着天然复合材料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，采取复合的形式天
2、然材料几乎都是复合材料，采取复合的形式 是自然的规律是自然的规律 人类利用复合材料的历史人类利用复合材料的历史经历了古代经历了古代 、近代和现代三个阶段、近代和现代三个阶段 房屋、纸张房屋、纸张 l l 六千年以前，陕西西安半坡村的仰韶文化住房遗址六千年以前，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，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现代高性能纤维增强复合材料非常相似相似 近现代近现代逐步逐步开始主动利用复合材料的功能性开始主动
3、利用复合材料的功能性 l l 玻璃钢玻璃钢、先进复合材料、先进复合材料 天然 复合材料 智能复合材料智能复合材料 仿生复合材料仿生复合材料 功能复合材料功能复合材料 纳米复合材料纳米复合材料 生物复合材料生物复合材料 材料复合结构材料复合结构 先进复合材料先进复合材料 树脂基复合材料树脂基复合材料 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 金属基复合材料金属基复合材料 碳碳/ /碳复合材料碳复合材料 玻璃钢玻璃钢 复合材料的内涵复合材料的内涵不断拓展不断拓展 从宏观尺度的复合到纳米尺度的复合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从结构材料到结构功能一体化材料和多功能复
4、合材料合材料 从简单复合到非线性复合效应的复合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复合材料到复合结构 从机械设计到仿生设计从机械设计到仿生设计 复合材料的定义复合材料的定义 ？ 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，与一般材互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，与一
5、般材 料的简单混合有本质的区别料的简单混合有本质的区别 （19941994年出版，师昌绪主编年出版，师昌绪主编材料大辞典材料大辞典） 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，其他材料作为一般一种材料作为基体，其他材料作为增强相增强相 一定尺度上的组合一定尺度上的组合 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 (美国麻省理工学院材料科学与工程系教
6、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 “ “到到20202020年，只有复合材料才有潜力获得年，只有复合材料才有潜力获得20-25%20-25% 的性能提升，其中陶瓷基和聚合物基复合材料的的性能提升，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如此大的改善，而被列为最优先发展的材料” ”。 美国国防部美
7、国国防部委托国家科学研究委托国家科学研究院发表院发表的的 “ “ 面向面向2121世纪国世纪国 防需求的材料研究防需求的材料研究 ” ” 报告指出报告指出 复合材料包括三要素复合材料包括三要素： 基体材料基体材料 增强相增强相 复合复合方式（界面结合形式方式（界面结合形式） 复合材料的分类复合材料的分类 按增强剂形状不同按增强剂形状不同，可分为颗粒、连续纤维、短，可分为颗粒、连续纤维、短 纤维、弥散晶须、层状、骨架或网状、编织体增纤维、弥散晶须、层状、骨架或网状、编织体增 强复合材料等强复合材料等 按照基体材料的不同按照基体材料的不同，复合材料包括聚合物基复，复合材料包括聚合物基复 合材料、金
8、属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳/ / 碳复合材料等碳复合材料等 按使用功能不同按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复，可分为结构复合材料和功能复 合材料等合材料等 复合材料关注的性能复合材料关注的性能 强度、刚度、耐腐蚀性、强度、刚度、耐腐蚀性、疲劳寿命疲劳寿命 与与温度有关的性能和绝热性温度有关的性能和绝热性等等 其它性能其它性能 可设计性可设计性 材料材料与结构的与结构的同一性同一性 复合材料结构设计中包含材料设计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复合材料
9、具有各向异性和非均质性的力学 性能特点性能特点 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 降低结构质量 提高结构效率 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 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
10、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 第一阶段 （70年代初完成 ） 受载不大的 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 （80年代初开始 ） 承力大 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 始） 受力复 杂规模 大 中机身段、中央翼盒 A380 中央翼盒 用量25% 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
11、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 u复合材料在应用中对传统设计理 念所带来的冲击 u复合材料的可设计性为材料开发 带来了无限的可能性 u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； u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 u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
12、 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) u固体力学：结构受力分析与材料的力
13、学性能 弹性力学 材料力学 u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 u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 u微观力学 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 u细观力学方法 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 复合材料力学基础问题复合材料力学基础问题 研究复合材料的微观和宏观力学特性、包括刚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
14、测伤、应力集中、边界效应、环境响应和力学测 试等力学问题试等力学问题 复合材料结构力学复合材料结构力学 研究复合材料结构的应力、变形、稳定和振动研究复合材料结构的应力、变形、稳定和振动 等问题等问题 PAGF材料的线性和非线性性能预测 360 100 50 50 Tensile specimen Thickness=2,1mm gate 试样制备示意图 各角度弹性模量预测结果对比各角度弹塑性曲线的预测结果对比 u 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%） u 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
15、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 u 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 2.1 弹性力学基础 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 应力张量: 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
