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材料力学 (Material Mechanics) 材料力学精品课程材料力学精品课程 16 16 复合材料力学复合材料力学 基础基础 2 2 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 = = 16.1 16.1 概概 述述 16.2 16.2 复合材料的种类复合材料的种类 16.3 16.3 合材料的构造及制法合材料的构造及制法 16.4 16.4 复合材料力学分析的基本假设和方法复合材料力学分析的基本假设和方法 16.5 16.5 复合材料的力学性能复合材料的力学性能 16.6 16.6 复合材料的各种应用复合材料的各种应用 16.7 16.7 各向异性弹性力学基本方程各向异性弹性力学基本方程 16.8 16.8 各向异性弹性体的应力应变关系各向异性弹性体的应力应变关系 16.9 16.9 正交各向异性材料的工程弹性常数正交各向异性材料的工程弹性常数 3 3 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 复合材料复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理 或化学方法制成的具有新性能的材料，一般复合材料 的性能优于其组分材料的性能，并且有些性能是原来 组分下列材料所没有的，复合材料可能改善组分材料 的刚度、强度、热学等性能。 现在复合材料已广泛应用于各种工程和日常生活 ，例如胶合板、钢筋混凝土、夹布橡胶轮胎、玻璃钢 等。复合材料的力学性能比一般金属材料复杂得多， 主要有不均匀、各向异性、不连续等，因此逐步发展 成为复合材料特有的力学理论，称为复合材料力学， 它是固体力学学科中的一个新分支。 16.1 概 述 4 4 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 16.2 复合材料的种类 颗粒复合材料颗粒复合材料 层合复合材料层合复合材料 纤维增强复合材料纤维增强复合材料 16.2.1 复合材料的种类 5 5 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 1.玻璃纤维玻璃纤维 2.硼纤维硼纤维 3.碳纤维碳纤维 4.芳纶纤维芳纶纤维 5.碳化硅纤维及氧化铝纤维碳化硅纤维及氧化铝纤维 16.2.2 16.2.2 几种常用纤维几种常用纤维 6 6 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 1.树脂基体树脂基体 2. 金属基体金属基体 3. 陶瓷基体陶瓷基体 4. 碳素基体碳素基体 16.2.316.2.3几种常用基体几种常用基体 7 7 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 （a）单层纤维 单层复合材料单层复合材料 （b）交织纤维 图 16.1 单层复合材料构造形成 16.3 合材料的构造及制法 16.3.1 16.3.1 复合材料的基本形式复合材料的基本形式 8 8 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 图16.2 叠层材料构造形式举例 叠层复合材料叠层复合材料 9 9 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 1.1.玻璃纤维环氧复合材料玻璃纤维环氧复合材料 将环氧树脂基体浸渍玻璃纤维经烘干形成半成品材 料预浸料，再通过不同成型方法得到各种制品，其 中有手糊方法、喷射成型、缠绕方法、层压方法等。 16.3.2 16.3.2 复合材料的制造方法复合材料的制造方法 2.2.碳纤维增强金属基复合材料碳纤维增强金属基复合材料 一般制造方法有扩散结合法、熔融金属渗透法、 连续铸造法、等离子喷涂法等。 1010 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 3.3.单向短纤维复合材料单向短纤维复合材料 将短切纤维悬浮在甘油中不停的搅动，加压迫使 悬浮物经过一收敛渠道，纤维走向与流向相同，将含 纤维液膜沉积到一细眼筛上快速过滤去掉甘油，这样 形成了定向纤维毡，然后再加树脂并模压成短纤维复 合材料。 1111 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 1.1.层合板是连续的层合板是连续的 2.2.单向板是均匀的单向板是均匀的 3.3.单向板是正交各向异性的单向板是正交各向异性的 4.4.层合板是线弹性的层合板是线弹性的 5.5.层合板的变形是很小的层合板的变形是很小的 16.4 复合材料力学分析的基本假设和方法 16.4.1 16.4.1 基本假设基本假设 1212 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 它从细观角度分析组分材料之间的相互影响来 研究复合材料的力学性能。 它从材料是均匀的假定出发，只从复合材料平 均表观性能检验组分材料的作用来研究复合材料的 宏观力学性能。 16.4.2 16.4.2 细观力学细观力学 16.4.3 16.4.3 宏观力学宏观力学 1313 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 它从更粗略的角度来分析复合材料结构的力学 性能，把叠层材料作为分析问题的起点，叠层材料 的力学性能可由上述宏观力学方法求出，或为了简 便和可靠可用实验方法直接求出。 16.4.4 16.4.4 复合材料结构力学复合材料结构力学 1414 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 16.5 复合材料的力学性能 16.5.1 16.5.1 纤维增强复合材料的重要力学性能纤维增强复合材料的重要力学性能 1.玻璃纤维增强复合材料特点是比强度高，耐 腐蚀、电绝缘、易制造、成本低，缺点是比模量较 低。 2.碳纤维复合材料有很高的比强度和比模量 ，耐高温、耐疲劳、热稳定性好。 3.芳纶纤维增强复合材料是一种新的复合材 料，它有较高的比强度和比模量。 1515 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 比强度高，尤其是高强碳纤维、芳纶纤维复合 材料。 比模量高，除玻璃纤维环氧外其余复合材料 比模量值比金属高很多，特别是高模量碳纤维复合 材料最为突出。 材料具有可设计性，这是复合材料与金属材 料很大的不同点，复合材料的性能除了决定纤维和 基体材料本身的性能外，还决定于纤维的含量和铺 设方式。 16.5.2 16.5.2 复合材料的优点复合材料的优点 1616 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 材料各向异性严重，垂直于纤维方向的性能 主要取决于基本材料性能和基体与纤维间的结合 能力。因此一般性能较低，特别是层间剪切强度 很低。 材料性能的分散度较大，质量控制和检测较 困难。 材料成本较高，目前硼纤维复合材料最贵， 碳纤维及金属基复合材料比金属成本高很多。 有些复合材料韧性较差，机械连接较困难。 16.5.3 16.5.3 复合材料的缺点复合材料的缺点 1717 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 16.6 复合材料的各种应用 16.6.1 16.6.1 航空、航天工程应用航空、航天工程应用 航空工程航空工程 国内外已应用于飞机发动机、机身、机翼、驾 驶舱、螺旋桨、 雷达罩、机翼表面整流装置、直 升飞机旋翼桨叶、客机前后翼身整流罩、主起落架 舱门等。 航天工程航天工程 减轻发动机的重量等。 1818 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 制造玻璃钢船，制造复合材料游艇和渔船。用混 杂复合材料制造高速舰艇 16.6.2 16.6.2 船舶工程中的应用船舶工程中的应用 16.6.3 16.6.3 建筑工程中的应用建筑工程中的应用 大型体育馆、厂房、市场等薄壳结构，各种建筑， 引水渡槽、桥梁附加水管导槽等建筑设施。 16.6.4 16.6.4 兵器工业中的应用兵器工业中的应用 1. 坦克装甲上应用 2. 武器装备上应用 1919 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 采用复合材料替代金属可减少腐蚀延长寿命 16.6.5 16.6.5 化学过程中应用化学过程中应用 化工设备中采用树脂基复合材料，其重量轻、维修 容 易、使用寿命长 石油化工管道也有用玻璃钢制造的，其重量轻、寿 命长、成本低 用纤维增强树脂基复合材料制造汽车、火车罐车， 罐体上的托架、入孔及附件全部只是缠绕过程中固 定、一次整体成型 2020 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 1. 1. 火车 2. 2. 汽车 3. 3. 自行车 16.6.6 16.6.6 车辆制造工业中应用车辆制造工业中应用 16.6.7 16.6.7 电器设备中的应用电器设备中的应用 1. 1. 强电设备 2. 2. 电子设备 3. 3. 家用电器 2121 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 16.6.8 16.6.8 体育器械中应用体育器械中应用 1. 1.滑雪板 2. 2.网球拍 3. 3.棒球棒 4. 4.高尔夫球棍 5. 5.其它 2222 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 1. 1. 假肢等 2. 2. 人造骨骼、关节等人体内部材料 3. 3. 医疗设备 16.6.9 16.6.9 医学领域中的应用医学领域中的应用 16.6.10 16.6.10 在机械过程中的应用在机械过程中的应用 1. 1. 用于通用机械 2. 2. 用于模具 2323 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 对于直角坐标系，三个正交平面上的应力分量 是： 其中， 16.7 各向异性弹性力学基本方程 2424 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 应变张量应变张量 可表示为可表示为: : 2525 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 三个运动（或平衡）方程式三个运动（或平衡）方程式: : 式中zyx ,fff 是单位体积的体积力分量，r是质量密度，t是时间。 2626 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 几何关系（小变形）几何关系（小变形） : : 2727 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 变形协调方程变形协调方程 : : 其中实际上有3个独立关系式。 2828 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 各向异性弹性体的应力应变关系（本构关系）小变形时，应力分各向异性弹性体的应力应变关系（本构关系）小变形时，应力分 量与应变分量间有下列关系量与应变分量间有下列关系: : 式中 称为刚度系数。 以上15个方程，加上给定力的边界条件和给定位移 的边界条件，可以确定应力应变和位移共15个未知量 。同各向同性弹性力学基本方程相比，区别只在物理 方程应力应变关系。 2929 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 图 16.4 弹性对称平面 图16.5 弹性对称面中的剪应力 16.8 各向异性弹性体的应力应变关系 16.8.1 16.8.1 具有一个弹性对称平面的材料具有一个弹性对称平面的材料 3030 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 16.8.2 16.8.2 正交各向异性材料正交各向异性材料 具有两个正交弹性对称的材料一定对于和这 两个平面垂直的第三个平面具有对称性，这种材 料称为正交各向异性材料，其刚度矩阵C如下 3131 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 若经过弹性体材料一轴线，在垂直该轴线的平 面内，各点的弹性性能在各方向上都相同，则此 材料称为横观各向同性材料，此平面叫各向同性 面。 16.8.3 16.8.3 横观各向同性材料横观各向同性材料 图16.6 应力转轴 3232 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 横观各向同性材料的柔度矩阵为 3333 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 各向同性材料中每一点在任意方向上弹性特性 都相同，则刚度、柔度系数分别有下列关系 16.8.4 16.8.4 各向同性材料各向同性材料 3434 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 各向同性材料的刚度和柔度矩阵分别为 3535 湘潭大学土木工程与力学学院湘潭大学土木工程与力学学院 材料力学精品课程材料力学精品课程 工程上常采用工程弹性常数来表示材料的弹性特性。这些 工程弹性常数是广义的