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1、复 合 材 料 力 学,课程设置,授课方式：集中上课、自学、课程设计 学时：40 学分：2 授课地点：复合材料所多媒体会议室（理学楼417） 考试方式：笔试、课程设计 时间安排：,参考教材,R. M. 琼斯：复合材料力学（中、英文） Stephen W. Tasi：复合材料设计 王震鸣：复合材料力学与复合材料结构力学 李顺林：复合材料结构设计方法 J. R. Vinson: The Behavior of Structures Composed of Composite Materials,复合材料力学与复合材料结构力学,复合材料力学 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
2、、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。 复合材料结构力学： 研究复合材料结构的应力、变形、稳定和振动等问题,相关课程之间关系,复合材料学,复合材料力学,复合材料结构力学,复合材料结构设计方法,材料力学 弹性力学,复合材料动力学 非线性复合材料力学 柔性复合材料力学 编织复合材料力学,主要授课内容,绪论、复合材料简介及其基本力学性能 宇航典型复合材料与复合材料结构 复合材料力学的一般理论 各向异性材料的本构关系及简单层板宏观力学性能 复合材料简单层板刚度与强度的微观力学分析方法 层合板宏观力学性能的分析方法（刚度与强度） 层合板的弯曲、屈曲与振动分析 复合材
3、料力学分析的常用软件 复合材料及其结构在工程分析中应用 复合材料结构分析的有限元解法 课堂讨论、上机实习、考试,绪论复合材料简介,复合材料 是指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的新材料。复合材料中，一种材料作为基体，其他材料作为增强剂 两种以上材料 宏观尺度上的组合 微观尺度上的组合（合金） 具有各组分最好的性能，是个组分所没有的 复合材料是材料家族中最年轻、最活跃的新成员。所谓“复合”，是在金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料自身或相互间进行，从而获得单一材料无法比拟的、具有综合优异性能的新型材料,绪论复合材料简介,Composites are
4、made from two or more distinct materials that when combined are better (stronger, tougher, and/or more durable) than each would be separately. Compoistes are considered as combinations of material elements which differ in composition or form on a macroscopic level with respect to each other. The ind
5、ividual fibrous constituent elements can be man-made, are generally insoluble, retain their identities with in the composite and may be continuous or discontinuous,复合材料的发展历程,复合材料的发展，经历了古代、近代和现代三个阶段 自古以来，人们就会使用天然的复合材料木材、竹、骨骼等。最原始的人造复合材料是在粘土泥浆中掺稻草，制成土砖；在灰泥中掺马鬃或在熟石膏里加纸浆，可制成纤维增强复合材料 近代复合材料最早的有玻璃纤维增强树脂（如
6、酚醛树脂、环氧树脂等）玻璃钢。 原子能、航空、航天、电子、化工等的发展，对材料的轻质、高强、高模、高韧性、耐高温、耐磨、耐腐蚀、电性能等提出了更高要求，使现代先进复合材料蓬勃发展起来高性能纤维和其他各种形式的复合材料,示例：天然复合材料,An Example of a Natural Composite A tree is a good example of a natural composite, consisting of cellulose (the fibrous material) and lignin (a natural polymer) forming the woody ce
7、ll walls and the cementing (reinforcing) material between them.,复合材料的特点及应用,复合材料具有高比强度、高比刚度、材料轻、耐腐蚀、抗疲劳性能、减振性能和高温性能好意即可设计等特点 它最早应用于国防、航空、航天等尖端科学技术领域，近年来，汽车、造船、建筑、化工石油、体育用品、生物、医疗、娱乐等部门也推广使用复合材料 全复合材料汽车汽油之后的变革 高性能体育器械-网球、棒球、高尔夫球、赛车、滑雪、鱼杆（光威） 人造器官 输油管道、储罐、压力容器等,复合材料的制备,传统意义上的复合材料的制造，目前使用最广、效果最好的是纤维增强： 采
8、用熔铸、浸渍、层压等方法，把玻璃纤维、有机纤维、碳纤维及其织物嵌入树脂基体中； 采用熔铸、轧压等方法把硼纤维、高强度钢丝、晶须等嵌入铝、镁、钛合金中 这样形成了纤维增强塑料、纤维增强金属和纤维增强陶瓷。 除了纤维增强以外，还广泛使用已有工艺制造复合材料，如喷涂、离子注入、层叠及骨架复合等,Hand Layup Vacuum Bag/Autoclave Matched Die/Molding Filament Winding Pressure & Roll Bonding Plasma Spraying Techniques Powder Metallurgy Liquid Infiltrati
9、on,Coextrusion Controlled Solidification Rotational Molding Pultrusion Injection Molding Centrifugal Casting Sheet Molding Compound Pneumatic Impaction,复合材料的制备,复合材料的分类,复合材料包括三要素：基体材料、增强剂及复合方式（界面结合形式） 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 按使用功能不同，可分为结构复合材料和功能复合材料等 按照基体材料的不同，复合材料包括聚合物基复合材料、
10、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等 热固性、热塑性 碳碳复合材料,小知识 RMC: Resin Matrix Composites MMC: Metal Matrix Composites CMC: Ceramic Matrix Composites,先进复合材料 树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 碳/碳复合材料,增强纤维与基体,增强纤维 玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维（Kevlar、Apmoc)、硼纤维、碳化硅纤维 树脂基体 热固性聚合物 聚酯、环氧、酚醛、聚酰亚胺 热塑性聚合物 尼龙、聚乙烯、聚苯乙烯,增强纤维与基体的作用与贡献,在RMC中，增强材料是决定复合材料的拉伸强度、模
11、量、延伸率的关键组分，增强纤维的种类、机械性能核物理特征，在即体重的体积含量及纤维的取向决定了复合材料的性质 树脂基体则是粘接并包容纤维，使纤维免受摩擦损伤，均衡和传递构件所承受的载荷的主要组分，树脂基体的种类、物理特性和化学特性决定了复合材料的剪切强度、横向拉伸强度（非纤维方向）、压缩强度、耐化学腐蚀等性质）,复合材料的性能,疲劳寿命 与温度有关的性能 绝热性 导热性 隔音性,强度 刚度 耐腐蚀性 耐磨性 重量,示例：材料的比强度与比刚度,图 不同材料比强度与工作温度关系,图 几种高温材料的比强度,比强度值越大，表明越轻质高强，在金属中，比强度值不能突破4X104cm,复合材料的力学性能,普
12、通的工程材料大多是均匀的、各向同性的 均质：性能不是物体位置的函数 各向同性：物体的性能在物体内的一点的每个方向都是相同的，性能不是一点方向上的函数 复合材料一般表现为非均质和各向异性的，材料性能是位置和方向的函数 正交各向异性：在物体重的一点的三个相互垂直方向上有不同的材料性能，此外还有三个相互垂直的材料对称面 各向异性：所有方向都有不同的性能，没有材料对称面,从微细观和宏观两个角度研究,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 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 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
13、入手，研究其与材料力学性能的关系 用连续介质力学研究材料的细观结构与宏观性能关系,材料与力学,材料学：从材料的物理、化学性质、材料工艺、结构、组分的角度 固体力学：结构受力分析与材料的力学性能 示例：材料中的缺陷问题严重影响材料的强度等性能，纤维比块状结构材料有更加完整的结构，晶体在纤维中沿着纤维轴向定位，内部缺陷少，有更高的强度,复合材料的可设计性,材料与结构不可分 根据我们的需求设计材料和结构 在我们所需要的方向上具有足够的强度和刚度，其他方向上不需要，消除材料冗余，提高材料效率,Anisotropic elasticity An in-depth discussion of the im
14、portant differences between composites and conventional monolithic materials types is discussed in terms of developing the concepts associated with directional material properties.,复合材料力学的材料力学、弹性力学基础理论,量纲 基本量：长度、时间、力、质量 量纲相同 无量纲化,应力和应变,截面积为S，载荷为P，单位面积的力为：,应力,原长为L，伸长量为，延伸率为：,应变,在小载荷范围内，有虎克定律：,弹性模量,材料断裂时的应力为材料强度,应力和应变,P,P,P,P,N,N,P,N,T,N,N为内力，等于P 对于与轴向成角的截面,正应力,剪应力,剪切应变 剪切弹性常数,泊松比,