基于累积损伤的复合材料层合板拉-拉疲劳寿命预测
魏武国
南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京 (210016)
E-mail ：weiwuguo@https://www.doczj.com/doc/db11141380.html,
摘 要：复合材料层合板在拉-拉疲劳载荷作用下的损伤形式主要是基体开裂、纤维拉断和分层，因此重点考虑这三种损伤的失效判据,并基于疲劳累积损伤理论，建立了应力分析中的有限元模型，和疲劳累积损伤过程中材料性能的退化方式。在ANSYS 有限元软件平台上，利用参数化设计语言，开发编制复合材料层合板疲劳寿命预测程序，并对文献中复合材料层合板的拉-拉疲劳寿命进行预测，结果表明所建立的拉-拉疲劳寿命预测模型预测精度较好。 关键词：复合材料层合板，拉-拉疲劳寿命预测，有限元分析
中图分类号：TB332
1．引言
纤维增强聚合物基复合材料层合板在交变载荷作用下，呈现出非常复杂的破坏机理，可以发生遍及整个试样的四种疲劳损伤：基体开裂、分层、界面脱胶和纤维断裂，这四种疲劳损伤及其任何组合均可导致复合材料疲劳强度和疲劳刚度的下降[1]。因此预测复合材料层合板疲劳寿命可以利用剩余强度、剩余刚度等宏观机械量唯象地表达损伤，结合应力分析和累积损伤方法估算疲劳寿命。复合材料层合板在拉-拉疲劳载荷下主要出现基体开裂、纤维拉断和分层损伤，因此本文重点考虑了发生此三种损伤的疲劳失效判据，并基于疲劳累积损伤理论，建立了应力分析中的有限元模型，和疲劳累积损伤过程中材料性能的退化方式。在ANSYS 有限元软件平台上，开发编制复合材料层合板拉-拉疲劳寿命预测程序，并对文献[2]中的T300/BMP 层合板的拉-拉疲劳寿命进行预测。
2．拉-拉疲劳失效判定准则
为了能够在疲劳加载过程中对材料单元进行失效与否的判定，可采用已被众多研究人员成功发展并较好应用于复合材料层合板静载或疲劳失效分析中的Hashin 三维失效准则[3]：包括纤维拉断等多项疲劳失效判据。由于复合材料层合板在拉-拉疲劳载荷作用下主要出现基体开裂、纤维拉断和分层损伤，因此重点考虑此三种损伤的疲劳失效判据：
纤维拉断时，10σ≥：
2221121312131(,,)(,,)(,,)T X n R S n R S n R σσσσσσ??????++≥????????
????
（1） 基体开裂时，20σ≥： 2222122312231(,,)(,,)(,,)T Y n R S n R S n R σσσσσσ??????++≥????????????
（2） 法向拉伸分层时，30σ≥：
2223312331231(,,)(,,)(,,)T Z n R S n R S n R σσσσσσ??????++≥????????????
（3） 式中i σ，ij σ分别为第n 次疲劳循环时，单元各正轴向的应力分量及相应面内的剪切应
力分量；(,,)T X n R σ，(,,)T Z n R σ，(,,)T Y n R σ，(,,)ij S n R σ分别为第n 次循环时，单层板各正轴向剩余拉伸疲劳强度及相应面内剪切剩余疲劳强度，σ为加载应力，R 为应力比。
3．材料性能退化方式
复合材料层合板在循环应力作用下，随着循环次数的增加，内部损伤会逐渐累积，材料抗疲劳性能下降，材料的力学性能会有两种不同的退化方式：如果此时某单元应力分析的结果满足疲劳失效准则，则此单元发生相应的失效，材料性能就发生相应的突然退化；如果此时复合材料层合板没有任何单元发生失效，则材料性能就发生逐渐退化。
3.1 材料强度的退化方式
材料强度在进行n 次循环后将发生相应的逐渐退化，并作为下一疲劳循环时进行疲劳失效判定的重要参数，可选择如下的退化模型[4]：
22(,,)11a b U U f S n R n N σσσσσ+????=?????????
??? （4） 式中：(,,)S n R σ为在疲劳加载应力σ和应力比R 下循环n 次时的拉伸疲劳剩余强度；U σ为初始静拉伸强度；f N 为疲劳寿命，可通过后面的等寿命模型计算得到；2a ，2b 为试验常数，可通过单层板的拉-拉疲劳剩余强度试验得到。
3.2 材料刚度的退化方式
3.2.1 刚度的突然退化方式
当复合材料层合板单元在某次疲劳循环时的应力满足疲劳失效判定准则中的某个判据时，就认为此单元发生了相应的损伤，单元的材料刚度将发生突然退化，可选取如下的突然退化方式[5]：
（1）纤维拉断：1E ，2E ，3E ，12G ，23G ，13G ，12ν，23ν，13ν发生退化，退化到初始值的0.07；
（2）基体开裂：2E ，12G ，23G 发生退化，退化到初始值的0.2；
（3）分层：3E ，13G ，23G ，13ν，23ν发生退化，相应退化到0。
另外，在程序计算中，为了不使刚度矩阵发生奇异，1E ，2E ，3E 退化后最小值不得小于150；12G ，23G ，13G 不得小于1×105；12ν，23ν，13ν不得小于1×10-5。
3.2.2 刚度的逐渐退化方式
对于没有发生破坏的单元，随着循环次数的增加，材料刚度将发生逐渐退化，可选择如下的退化模型[4]：
1121/1(,,)11(0)a b c U f
E n R n E c N σσσσ+??????=?????????????????? （5） 式中：(,,)E n R σ为在疲劳加载应力σ和应力比R 下循环n 次时的拉伸疲劳剩余刚度；
E(0)为初始拉伸刚度；1c ，2c ，1a ，1b 为试验常数。 3.3 等寿命模型
为使材料强度和刚度的逐渐退化方式适用于任意应力比及任意应力水平的情况，可通过等寿命模型计算上述逐渐退化模型中的f N 值。表达如下[4]：
()f ln /lg ln[(1)()]
a f A B N m c m =+?+ （6） （a t a σσ=，m t m σσ=，c t
c σσ=） （7） 式中，t σ，c σ分别为单层板的拉伸和压缩强度；a σ为疲劳载荷幅值；m σ为疲劳载荷平均应力；f 、A 和B 为试验常数，可通过单层板的拉-拉疲劳试验得到。当单层板承受剪切疲劳载荷时，公式(6)可修正为：
f ln(/)l
g lg ln[(1)(1)]a f A B N m m ??=+???+??
（8） 4．拉-拉疲劳寿命预测分析流程
根据上述分析方法，复合材料层合板拉-拉疲劳寿命预测流程如图1所示，具体步骤为：
（1）输入材料属性、铺层方式、最大疲劳应力、循环应力比、程序指定最大循环次数等，建立复合材料层合板拉-拉疲劳的有限元模型；
（2）在拉-拉疲劳最大应力下进行应力分析，计算所有单元各主方向的应力分量及相应面上的剪切应力分量；并利用疲劳失效准则，对每个单元进行失效判定；
（3）如果无任何单元发生失效，则判定是否达到指定最大循环数，若达到，则停止程序。若未达到，则用等寿命模型计算该单元疲劳寿命f N ，并进行剩余强度及剩余刚度逐渐退化，增加循环数，进行下一次循环；如果有单元发生失效，则对失效单元采用材料性能突然退化方式进行相应参数退化，并判定层合板是否发生最终破坏，如没有最终破坏，则再在此循环次数下进行应力分析，继续判定有无新的单元发生失效，直到该循环下无新的失效出现为止，增加循环数，准备进行下一次循环；如判定层合板发生最终破坏，则停止程序。
图1 拉-拉疲劳寿命预测分析流程
Fig1 The process of T-T fatigue life prediction
5．算例分析
为验证上述复合材料层合板拉-拉疲劳寿命预测方法的可行性，对文献[2]中T300/BMP 复合材料层合板在三种应力水平下的拉-拉疲劳寿命进行预测，并与其试验结果进行比较。
在ANSYS 有限元软件平台上，利用其自带的参数化设计语言建立复合材料层合板的三维有限元模型。层合板三维有限元模型的几何尺寸为60mm×15mm×2.5mm ，铺层方式为
[45/-45/0/0-45/90/0/90/45/0]2；单元类型选择三维八节点的分层结构实体单元SOLID46，各单层板长度方向划分60个单元，宽度方向划分15个单元，单元厚度定义为单层板厚度，总共划分出18000个单元；层合板沿长度方向一端固定，另一端承受拉伸疲劳载荷，应力比为0.1。
T300/BMP 单层板的力学性能参见文献[2]。文献[2]中复合材料层合板拉-拉疲劳试验结果与计算结果的比较如表1和图2所示。
表1层合板拉-拉疲劳寿命实验值与预测值比较 Tab.1 Fatigue life contrast of prediction and real value
应力水平 80%U
σ74%U σ70%U σ
实验寿命
实验50lg N
22,339 34,801 6,826 4.24 50,826 108,38168,894 4.86 911,366631,358423,2815.80 预测寿命
预测lg N
10,127 4.01 50,123 4.70 250,1865.40 对数寿命误差/% 5.42 3.29 6.90
图2 实验值和预测值的对数寿命比较
Fig2 Fatigue life contrast of prediction and real value
从图2中可以看出，复合材料层合板三种应力水平的拉-拉疲劳寿命预测结果都较实验结果保守，且在最大应力水平时的误差最大，为6.90%，能够满足实际工程应用的要求。
6．结论
（1）重点考虑复合材料层合板在拉-拉疲劳载荷作用下的基体开裂、纤维拉断和分层损伤形式，并基于疲劳累积损伤理论，建立了应力分析中的有限元模型，和疲劳累积损伤过程中材料性能的退化方式。
（2）在ANSYS 有限元软件平台上，利用其自带的参数化设计语言，开发编制了复合
材料层合板拉-拉疲劳寿命预测程序，并对文献中复合材料层合板的拉-拉疲劳寿命进行了预测，结果表明在三种应力水平下的预测值都趋于保守，有利于工程应用。
（3）复合材料层合板的疲劳寿命预测是项复杂的系统工程，在试验条件限制或试验数据不足等情况下，抓住影响材料疲劳性能的主要因素，可以简化疲劳寿命预测的复杂度，简化程序提高运算效率，同时又能得到满足工程要求的结果。
参考文献
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[5]Camanho PP, Matthews FL. A progressive damage model for mechanically fastened joints in composite laminates [J]. Journal of Composite Materials, 1999, 33: 2248-2280
Tensile Fatigue Life Prediction of Composite Laminates Based on Progressive Damage Method
Wei Wuguo
College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,
Nanjing, PRC (210016)
Abstract
Composite laminates exhibit damage types with matrix crack, fiber rupture and delamination in tensile-tensile fatigue. The three damage types’ failure criterion has been thought, and a finite element model of stress analysis, and material property degradation mode have been built based on fatigue progressive damage method. A tensile-tensile fatigue life prediction programme has been developed with Ansys Parameter Design Language. The tensile-tensile fatigue life of a composite laminates in a paper has been predicted by the programme. And the result indicated the error of prediction is small. Keywords: composite laminates; prediction of tensile-tensile fatigue life; finite element analysis
作者简介：魏武国，男，1983年生，硕士研究生，主要研究方向是先进材料与结构设计技术。
剩余寿命预测 1 高温炉管剩余寿命预测的基本原则和方法 1.1 高温炉管寿命预测的基本原则 炉管检测后的最终质量通常用A、B、C三个级别进行评价。即“A”级管有较轻度或没有蠕变裂纹，这种炉管继续使用没有问题；“B”级管有一定程度的蠕变裂纹，但可以继续使用，同时应加强监视；“C”级管的蠕变深度及面积已达到极限。这类炉管不能继续使用，必须更换。要预测炉管的残余寿命，实际上就是预测“B”级管的使用年限，因为对大多数高温炉管来说，“C”级管是必须更换的。 目前，炉管的检测通常釆用专业炉管检测装置进行。虽然炉管检测装置具有它的可靠性、稳定性和准确性，但它只有一个单一的蠕变裂纹深度指标，如果要估算炉管的残余寿命必须要综合考虑，不能绝对地靠检测到“A、B”级来对炉管残余寿命下定义,因为化学成分和原始组织决定材料的原始强度，而运行时间、温度及应力的变化决定材料受蠕变损伤的程度。 根据国内外对高温炉管的研究结果，本文在对扬子石化公司芳烃厂BA1051制氢转化炉炉管进行评定时，按照如下的基本原则预测炉管的寿命。首先确定导致炉管损伤的主要原因，然后根据炉管的损伤状态，选择相应的预测方法。在对预测结果进行修正时同时兼顾其它因素的影响，在最终得到的使用寿命中应包含一定的安全余度，以适应炉管工作条件的变化。 1.2 高温炉管寿命预测的方法 为了最经济地利用炉管，剩余寿命评价技术必须准确，同时工程上又要求其实施必须简便。近年来国内外对高温炉管剩余寿命评价技术的研究投入了大量的人力和物力，提出了多种预测炉管剩余寿命的方法，归纳起来可大致可分为间接法和直接法两类。直接法即非破坏检查和破坏检查两类剩余寿命诊断技术，间接法即理论解析法。解析法和破坏检查所需时间较长，而非破坏检查可在较短时间，对较多部位进行诊断，且能定期监测。所以采用非破坏检查的方法预测炉管剩余寿命更为实用。 目前非破坏性检查的剩余寿命诊断技术主要有： （1）金属组织变化测定法，炉管长期在高温、应力和环境共同作用下服役，材料的微观组织会发生变化，如碳化物的析出、蠕变空洞的增殖等等。金属组织变化测定法就是通过测定组织的变化来评价炉管的剩余寿命。这种方法需要事先搞清楚金属组织变化与寿命之间的定量关系。目前比较成熟的法有A参数法、晶粒变形法、微结构法、另外还有空洞面积率法。A参数法是英国(ERA、CEGB)、美国(EPRI)于1983年提出的方法，其主要思路是沿主应力方向引一参考线，A参数就是参考线横切晶界总数与存在空洞晶界数的比值。预先求得各种材料的A参数与蠕变寿命比，通过复制试样法测定A参数，进行评价剩余寿命。实验验证表明：A参数能较好地定量损伤状态。空洞面积率是空洞所占面积与全观察面积的比值，它比较容易计量且与寿命的相关性好。应用该方法应注意要把蠕变空洞与碳化物或夹杂物脱落所造成的空洞区别开来，以免误判。A参数法和空洞面积率法还有两个问题需解决： a.有裂纹时，如何来测A参数和空洞面积率，虽然测定方法较多，但不同的方法得到的值不同； b.空洞分布不均匀性的计算及其影响。有些材料往往寿命后期才出现空洞，此时用A参
· 2 · 玻璃钢 2006年第4期 复合材料层合板的厚度方向性能 和层间性能 张 汝 光 (上海玻璃钢研究院，上海 201404) 摘 要 复合材料层合板厚度方向性能和层间性能有着完全不同物理的概念，不能混用，以免发生差错。用三点弯曲外伸梁法，测定一般层合板厚度方向的剪切性能，理论上可行，但在实际测试中会产生较大误差，很难保证数据的准确性。 关键词：层合板； 厚度方向； 层间； 三点弯曲试验 1 两个不同的物理概念 复合材料层合板厚度方向的性能和层间性能有着完全不同的物理概念，应该加于区别，不能混用，以免发生差错。虽然厚度 方向在单向拉伸、压缩或剪切应力作 用下，层间界面相受到同样的拉伸、 压缩或剪切应力，但其应变完全不同 （见图1、图2和图3），破坏强度也 3σ 13τ3 图2 层合板厚度－3方向的受力和表观变形 图3 层合板层间界面相的受力和变形
· 3 · 层间性能顾名思义，是层合板两层之间界面相的性能，反映单纯界面相对外界作用的响应；而厚度方向的性能，则反映整个层板材料在3方向的表观性能，它包括各层及其界面相对外界作用的综合响应。在复合材料层板的受力分析中，需要区分这两个不同的概念，以免发生差错。如，在分析层合板厚度方向的应变时，需要用厚度方向的表观模量；在分析由于相邻层性能的不匹配造成的层间应力时（如：拉伸、压缩时，由于两相邻层泊松比不同或温度变化时，由于两相邻层热膨胀系数不同，而产生的层间剪切应力；或拉伸、压缩时，由于两相邻层模量的不同，而产生的层间正应力等等），需要用层间的界面相模量。而厚度方向的模量往往要比层间界面相的模量大2至5倍。又如在分析单向板的拉伸和压缩不同的损伤扩展、破坏模式和强度时，界面相的性能起非常重要的作用，而它完全不同于层合板厚度方向的性能，不能用后者来取代。 1.1 厚度方向和层间的弹性模量 由上图可以清楚看出，受简单拉伸（或压缩）和剪切时，虽然复合材料层合板的层间应力和厚度方向的应力相等，其应变完全不同。材料的弹性模量等于产生单位应变所需要的作用应力，应力相等，而应变不等，自然它们的弹性模量也不相等。即 int E (层间拉伸模量) ≠ 3E (厚度方向拉伸模量) int G (层间剪切模量) ≠ 13G (厚度方向剪切模量) 1.2 厚度方向和层间的强度 厚度方向的作用应力达到最大时，材料发生破坏，此时的应力是复合材料层合板厚度方向的强度。其破坏可以是发生在界面相上，也可以是发生在某一层内。只有当破坏发生在界面相时，厚度方向的强度才等于层间强度。如，若层合板中含有泡沫层（如泡沫夹层板），破坏往往就发生在泡沫层内，厚度方向的强度等于泡沫材料的强度，而不是层间强度。对大多数的层合板，破坏常常发生在层间，因此可认为是层间强度。但这不是绝对的，所有还是分开为好，以避免发生差错。 2 层合板厚度方向性能和层间性能的测试 由于通过对厚度方向施加单向力，就可实现对层间界面相施加同样的单向力，层间性能的测试往往就可以相同于对厚度方向的测试，只是在对数据分析处理时，要注意加于区别。如： 2.1 层合板厚度方向性能的测试 厚度方向的弹性模量： 333/εσ??=E 131313/γτ??=G 厚度方向的强度：
管道腐蚀剩余寿命预测 埋地管道长年埋置地下，不可避免地遭受腐蚀。特别是随着埋地管道服役时间的增加，管道腐蚀情况越来越严重，给管道使用单位的安全生产和经济效益带来严重的影响。开展埋地管道腐蚀的剩余寿命预测评估，对提高埋地管道事故隐患区段的预测能力，实施管道运行完整性管理具有十分重要的意义。 埋地管道因遭受内在和外在因素的破坏，使其设计寿命严重地受到威胁。其中内在因素如管道本身的擦痕、划痕、压痕等机械损伤，管道制造和施工过程中的质量问题；外在因素如地下管道受到腐蚀、人为破坏、管道运行管理不善等。目前，我国埋地管道面临着管道老化、变质等问题，管道使用寿命和剩余使用寿命问题越来越受到重视。 管道的设计寿命一般为33年，为保持管道预期设计寿命，管道使用单位都制定了严格的管道定期检测和日常维护计划，同时十分重视管道的管理、检查和维护工作，有些国家则把管道线路的腐蚀和泄漏检测纳入SCADA系统。 在役埋地管道的剩余寿命预测实际上是一个涵盖管道在线检测、安全状况评价、剩余寿命预测的一个系统工程。 与设计寿命密切相关的是埋地管道的诊断问题。所谓管道腐蚀剩余寿命的基本概念是管道个别地段的剩余使用寿命。对个别管道的持续运行寿命进行诊断，不仅可预防未来可能发生的故障，而且会对管道运行制度和预检修措施进行正确的规划。在很多情况下，还可使这段管道在降低负荷的条件下继续利用其有效期。为此，应将整个埋地管道线路划分成各自不同的典型地段（如按规则规定划分为四种地段），在此基础上进行危险区段的剩余寿命预测。 对管道内、外部结构进行早期诊断，可预测管道剩余使用寿命。埋地管道失效多数情况下是由管体外部腐蚀造成的，其主要机理是土壤的电化学腐蚀。根据管道失效的特点可将腐蚀缺陷分为均匀腐蚀、局部腐蚀和点腐蚀三大类，但因腐蚀影响因素具有极大不确定性，以及缺陷的发生和发展的不确定性（特别是对点蚀），需要从概率统计的角度出发对整条管线或整个管段的剩余寿命进行统计分析，找出其统计规律。 管道本体存在的裂纹也是影响管道使用寿命的重要因素，裂纹的扩展速度会严重影响管道的剩余寿命。所以管道剩余寿命预测中还包括低周疲劳裂纹扩展寿命评估方法，主要是规定当裂纹尺寸达到某一给定长度时的疲劳周次为疲劳裂纹的萌生寿命。但由于裂纹萌生过程中存在很大的随机性，即使同一材料在其相邻区域上截取不同的试样，同一裂纹长度指标对应的循环周期可能处于裂纹扩展的不同阶段。所以也需要利用恰当的物理模型与统计方法确定一种可靠的裂纹尺寸与寿命的关系。 研究表明，金属的老化效应和管道表面的腐蚀损伤会导致管材脆变，从而改变材料的塑
疲劳形成寿命预测方法 10船 王茹娇 080412010035 疲劳裂纹形成寿命的概念 发生疲劳破坏时的载荷循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间称 为该材料或构件的疲劳寿命。 疲劳寿命的种类很多。从疲劳损伤的发展看，疲劳寿命可分为裂纹形成和裂 纹扩展两个阶段：结构或材料从受载开始到裂纹达到某一给定的裂纹长度a0为 止的循环次数称为裂纹形成寿命。此后扩展到临界裂纹长度acr 为止的循环次数 称为裂纹扩展寿命，从疲劳寿命预测的角度看，这一给定的裂纹长度与预测所采 用的寿命性能曲线有关。此外还有三阶段和多阶段，疲劳寿命模型等。 疲劳损伤累积理论 疲劳破坏是一个累积损伤的过程。对于等幅交变应力，可用材料的S —N 曲 线来表示在不同应力水平下达到破坏所需要的循环次数。于是，对于给定的应力 水平σ，就可以利用材或零部件的S —N 曲线，确定该零件至破坏时的循环数N ， 亦即可以估算出零件的寿命，但是，在仅受一个应力循环加载的情况下，才可以 直接利用S —N 曲线估算零件的寿命。如果在多个不同应力水平下循环加载就不 能直接利用S —N 曲线来估计寿命了。对于实际零部件，所承受的是一系列循环 载荷，因此还必须借助疲劳累积损伤理论。 损伤的概念是，在疲劳载荷谱作用下材料的改变（包括疲劳裂纹大小的变化， 循环应变硬化或软化以及残余应力的变化等）或材料的损坏程度。疲劳累积损伤 理论的基本假设是：在任何循环应力幅下工作都将产生疲劳损伤，疲劳损伤的严 重程度和该应力幅下工作的循环数有关，与无循环损伤的试样在该应力幅下产生 失效的总循环数有关。而且每个应力幅下产生的损伤是永存的，并且在不同应力 幅下循环工作所产生的累积总损伤等于每一应力水平下损伤之和。当累积总损伤 达到临界值就会产生疲劳失效。目前提出多种疲劳累积损伤理论，应用比较广泛 的主要有以下3种:线性损伤累积理论，修正的线性损伤累积理论和经验损伤累 积理论。 线性损伤累积理论在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个 应力之间相互独立和互不相干，当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件就发 生疲劳破坏，线性损伤累积理论中典型的是Miner 理论。 根据该理论，假设在应力i σ下材料达到破坏的循环次数为i N ，设D 为最终 断裂时的临界值。根据线性损伤理论，应力i σ每作用一次对材料的损伤为i N D /， 则经过i n 次后，对材料造成的总损伤为i i N D n /。
复合材料层合板强度计算现状 作者：李炳田 1．简介 复合材料是指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料。一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，它改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。复合材料从应用的性质可分为功能复合材料和结构复合材料两大类。功能复合材料主要具有特殊的功能，例如:导电复合材料，它是用聚合物与各种导电物质通过分散、层压或通过表面导 电膜等方法构成的复合材料；烧灼复合材料，它由各种无机纤维增强树脂或非金属基体构成，可用于高速飞行器头部热防护；摩阻复合材料，它是用石棉等纤维和树脂制成的有较高摩擦系数的复合材料，应用于航空器、汽车等运转部件的制动。功能复合材料由于其涉及的学科比较广泛，已不是单纯的力学问题，需要借助电磁学，化学工艺、功能学等众多学科的研究方法来研究。结构复合材料一般由基体料和增强材料复合而成。基体材料主要是各种树脂或金属材料；增强材料一般采用各种纤维和颗粒等材料。其中增强材料在复合材料中起主要作用，用来提供刚度和强度，而基体材料用来支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷。结构复合材料在工农业及人们的日常生活中得到广泛的应用，也是复合材料力学研究的主要对象，是固体力学学科中一个新的分支。在结构复合材料中按增强材料的几何形状及结构形式又可划分为以下三类： 1．颗粒增强复合材料，它由基体材料和悬浮在基体材料中的一种或多种金属或非金属颗 粒材料组合而成。 2．纤维增强复合材料，它由纤维和基体两种组分材料组成。按照纤维的不同种类和形状 又可划分定义多种复合材料。图1.1为长纤维复合材料的主要形式。 图1.1 3．复合材料层合板，它由以上两种复合材料的形式组成的单层板，以不同的方式叠合在 一起形成层合板。层合板是目前复合材料实际应用的主要形式。本论文的主要研究对象就是长纤维增强复合材料层合板的强度问题。长纤维复合材料层合板主要形式如图1.2所示。 图1.2 一般来说，强度是指材料在承载时抵抗破坏的能力。对于各向同性材料，在各个方向上强度均相等，即强度没有方向性，常用极限应力来表示材料的强度。对于复合材料，其强度的显著的特点是具有方向性。因此复合材料单层板的基本强度指标主要有沿铺层主方向（即纤维方向）的拉伸强度Xt和压缩强度Xc；垂直于铺层主方向的拉伸强度Yt和压缩强度Yc以及平面内剪切强度S等5个强度指标。对于复合材料层合板而言，由于它是由若干个单层
复合材料力学上机编程作业 学院：School of Civil Engineering专业：Engineering Mechanics 小组成员信息：James Wilson（2012031890015）、Tau Young（2012031890011）复合材料力学学了五个星期，这是这门课的第一次编程作业。我和杨涛结成一个小组，我用的是Fortran编制的程序，Tau Young用的是matlab编制。其中的算例以我的Fortran计算结果为准。Matlab作为可视化界面有其独到之处，在附录2中将会有所展示。 作业的内容是层合板的刚度的计算和验算，包括拉伸刚度A、弯曲刚度D以及耦合刚度B。 首先要给定层合板的各个参数，具体有：层合板的层数N；各单层的弹性常数 E1、E2、υ21、G12；各单层 对应的厚度；各单层对应的主方向夹角θ。然后就要计算每个单层板的二维刚度矩阵Q，具体公式如下： υ12=υ21E2 E1；Q11=E11-υ12υ21；Q22=E21-υ12υ21；Q12=υ12E1； 1-υ12υ21Q66=G12 得到Q矩阵后，根据课本上讲到的Q=(T-1)TQ(T-1)得到Q。 然后根据z坐标的定义求出z0到zn，接下来，最重要的一步，根据下式计算A、B、D。 n??Aij=∑(Qij)k(zk-zk-1) k=1??1n22?Bij=∑(Qij)k(zk-zk-1) 2k=1??1n33?Dij=∑(Qij)k(zk-zk-1)3k=1? 一、书上P110的几个问题可以归纳为以下几个类型。
第 1 页共 1 页 （4）6层反对称角铺设层合板（T5-10）第 2 页共 2 页
复合材料层合板 MA 02139，剑桥 麻省理工学院 材料科学与工程系 David Roylance 2000年2月10日 引言 本模块旨在概略介绍纤维增强复合材料层合板的力学知识；并推导一种计算方法，以建 立层合板的平面内应变和曲率与横截面上内力和内力偶之间的关系。虽然这只是纤维增强复 合材料整个领域、甚至层合板理论的很小一部分，但却是所有的复合材料工程师都应掌握的 重要技术。 在下文中，我们将回顾各向同性材料矩阵形式的本构关系，然后直截了当地推广到横观 各向同性复合材料层合板。因为层合板中每一层的取向是任意的，我们随后将说明，如何将 每个单层的弹性性能都变换到一个共用的方向上。最后，令单层的应力与其横截面上的内力 和内力偶相对应，从而导出控制整块层合板内力和变形关系的矩阵。 层合板的力学计算最好由计算机来完成。本文简略介绍了几种算法，这些算法分别适用 于弹性层合板、呈现热膨胀效应的层合板和呈现粘弹性响应的层合板。 各向同性线弹性材料 如初等材料力学教材（参见罗兰奈斯（Roylance ）所著、1996年出版的教材1）中所述， 在直角坐标系中，由平面应力状态（0===yz xz z ττσ）导致的应变为 由于泊松效应，在平面应力状态中还有沿轴方向的应变：z )(y x z σσνε+?=，此应 变分量在下文中将忽略不计。在上述关系式中，有三个弹性常量：杨氏模量E 、泊松比ν和 切变模量。但对各向同性材料，只有两个独立的弹性常量，例如，G 可从G E 和ν得到 上述应力应变关系可用矩阵记号写成 1 参见本模块末尾所列的参考资料。
方括号内的量称为材料的柔度矩阵，记作S 或。 弄清楚矩阵中各项的物理意义十分重要。从矩阵乘法的规则可知，中第i 行第列的元素表示第个应力对第i 个应变的影响。例 如，在位置1,2上的元素表示方向的应力对j i S j i S j j y x 方向应变的影响：将E 1乘以y σ即得由y σ引起的方向的应变，再将此值乘以y ν?，得到y σ在x 方向引起的泊松应变。而矩阵中的 零元素则表示法向分量和切向分量之间无耦合，即互不影响。 如果我们想用应变来表示应力，则式（1）可改写为： 式中，已用G )1(2ν+E 代替。该式可进一步简写为： 式中，是刚度矩阵。注意：柔度矩阵S 中1,1元素的倒数即为杨氏模量，但是 刚度矩阵中的1,11 S D ?=D 元素还包括泊松效应、因此并不等于E 。 各向异性材料 如木材、或者如图1所示的单向纤维增强复合材料，其典型特征是：沿 纤维方向的弹性模量有纹理的材料，1E 将大于沿横向的弹性模量和。当2E 3E 321E E E ≠≠时，该材料称 为其力学性能是各向同性的，即为正交各向异性材料。不过常见的情况是：在垂直于纤维方向的平面内，可以足够精确地认 32E E =，这样的材料称为横观各向同性材料。这类各向异 同性材料的推广： 性材料的弹性本构关系必须加以修正， 下式就是各向同性弹性体通常的本构方程对横观各向 式中，参数12ν是主泊松比，如图1所示，沿方向1的应变将引起沿方向2的应变，后者与 前者之比的绝对值就是12ν。此参数值不象在各向同性材料中那样，限制其必须小于0.5。反 过来，沿方向2的应变将引起沿方向1的应变，后者与前者之比的绝对值就是21ν。因为方
金属疲劳寿命的预测 摘要 当一个金属样品受到循环载荷时，大量的起始裂纹将在它的体内出现。样品形成了有初始裂纹的样本：样品越大，样本也越大。在作者先前的研究中表明，在极值统计的帮助下，通过估计最大预期裂纹深度能够预测疲劳极限。本来表明，在一个类似的方式下，疲劳极限以上的疲劳裂纹萌生时间是可以预测的。用最小的分布可得到最短预期初始时间的预测，代替了用最大分布估计最大裂纹尺寸，并以广泛的实验数据获得了好的赞同。 本文为构件的总的疲劳寿命估计提供了一种新的方法。当得知了预计的裂纹萌生寿命和临界裂纹尺寸时，稳定的裂纹扩展就能通过Paris law计算出来。总的疲劳寿命的估算值是裂纹萌生和裂纹扩展的总和。本文介绍的是：为发现任何一种材料裂纹萌生寿命而相应的构建设计曲线的方法。 1、介绍 估计金属构件疲劳寿命的最古老和最常用的方法是S-N曲线，尽管它的缺点众所周知。其中之一是，因观察试样缺口的光滑程度不同而使得疲劳寿命有很大的不同。有些手册尝试通过为不同的应力值浓度的因素单独设计曲线解决这个问题，如Buch。其被当时看作是避免这一问题的局部应变方法。在这种方法中，提出了无论试样的形状如何，相同的应变振幅总是相同的疲劳寿命。 一个构件的总疲劳寿命可以分为3个阶段：裂纹产生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳生长。最后一个阶段很迅速，在估计总的疲劳寿命时可以在实际工作中忽略。利用LEFM可获得裂纹稳定生长的可靠样本。不同几何的应力强度因子和所收录例子的大量的公式都可在文献中找到，并且权函数的使用为扩展这种方法的使用提供了可能性。 用类似LEFM的方式对裂纹初始相位的建模，或裂纹的扩展做了很多的尝试，例如：Miller，Austen，Cameron and Smith。另一种方法是用局部应变方法仅对初始寿命进行估计，然后用LEFM和一个合适的计算机程序完成对总疲劳寿命的计算。 经Makkonen研究表明，统计方法能够用来预测金属构件的疲劳极限。当一个构件受到交变载荷时，大量的微裂纹将在它的内部产生，裂纹的数量取决于试样的大小。运用极值统计法来计算裂纹样品类型中的最大裂纹的估计值成为可
复合材料力学课程设计 一、 层合板失效载荷计算 1、 问题描述： 已知：九层层合板，正交铺设，铺设比为0.2m =。受载荷x N N =，其余载荷均为零。每个单层厚度为0.2t mm =。玻璃/环氧单层板性能：41 5.4010E Mpa =?， 42 1.8010E Mpa =?，120.25ν=，3128.8010G Mpa =?，31.0510t c X X Mpa ==?， 2.810t Y Mpa =?，14.010c Y Mpa =?， 4.210S Mpa =?。 求解：1、计算各铺层应力？ 2、最先一层失效的载荷？ 2、 使用mat lab 编程求解： 将输入文件“input.txt ”经由程序“strain.m ”运行，得到输出文件“output.txt ”。求解程序见附录一。 3、计算结果：（其中R 是强度比） 求单层刚度 Q1: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q2: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q3: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000
0.00000 0.00000 8800.00000 Q4: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q5: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q6: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q7: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q8: 55148.93617 4595.74468 0.00000 4595.74468 18382.97872 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 Q9: 18382.97872 4595.74468 0.00000 4595.74468 55148.93617 0.00000 0.00000 0.00000 8800.00000 求中面应变 Ez: 0.0306235*R -0.00290497*R
复合材料结构设计的专用软件ESAComp 作者：MarkkuPalanters 简介：复合材料层合板的设计过程存在着同传统金属结构设计不同的阶段。例如，复合材料的结构设计有许多种可能的材料组合，而且，材料的各向异性力学行为在设计阶段是能通过选择特定的纤维方向和叠层次序就确定了的。虽然有限元程序能够用来对复合材料进行分析，但是却不能够涵盖所有涉及复合材料具体设计和分析方面。因此，还需要专业化的复合材料设计工具来对复合材料进行设计。一些比较先进的设计工具，如本文中涉及的ESAComp软件，同有限元软件包结合起来，组成了复合材料结构设计过程的整个部分。关键词：复合材料，复合材料结构，层合板，夹层结构，分析，设计，软件，ESAComp 1. 复合材料的设计需要软件工具 在很多方面，复合材料的结构设计同金属材料的结构设计都存在着差异。在设计阶段纤维增强复合材料结构和夹层结构的力学性能就已经被确定下来。通过选择不同的材料、铺层角和叠层次序可以无限设计出具有不同力学性能特征的复合材料来。要充分利用复合材料优异的比刚度、比强度就需要非常强调复合材料的设计工作。 通过使用各向异性壳单元，所有的主流有限元软件对复合材料结构分析都提供了很大的帮助。但是，在复合材料的初始设计阶段对整个结构进行有限元分析的起始准备工作，包括材料种类的选择、层合和夹层结构的设计以及层合板铺层方式设计，有限元软件的实用性不大。当在层合板结构的不同层的级别上来对复合材料行为进行细节研究时，有限元软件包提供的后处理能力尤其有限。这也再次说明了专业复合材料分析工具的必要性。 从文件输入\输出的内部代码方式到电子数据表格的应用和完全交互式视窗程序，许多的软件工具被开发出来对层合板进行分析。当前一些比较高级的软件工具已经从基本的层合板分析发展到了对类似梁、板和夹层面板中复合材料层板的连接等这样的结构单元进行分析。一些层合板分析工具可以为商用的有限元软件提供界面。 本篇文章的基础是在开发ESAComp软件过程中获得的经验。接下来的章节中，将ESAComp软件作为先进复合材料设计软件中的一个典型，对其所具有的设计能力进行介绍。并在最后部分讨论了复合材料设计工具同有限元程序的系统问题。
目录 复合材料细观力学 (1) 简支层合板的自由振动 (9) 不同条件下对称层合板的弯曲分析 (14)
复合材料细观力学 ——混凝土细观力学 一、研究背景 复合材料细观力学 复合材料细观力学是20世纪力学领域重要的科学研究成果之一，是连续介质力学和材料科学相互衍生形成的新兴学科。 近20年来，我国科技工作者应用材料细观力学的理论和方法，成功研究了许多复合材料的增强，断裂和破坏问题，给出了一些特色和有价值的研究成果。 混凝土细观力学 混凝土作为一种重要的建筑材料已有百余年的历史，它广泛应用于房屋、桥梁、道路、矿井、及军工等诸多方面。在水工建筑方面，混凝土也被大量使用，特别是大体积混凝土，它是重力坝和拱坝的主要组成部分，对混凝土各项力学性能的准确把握及应用，在一定程度上决定了水工建筑物的质量和安全性能。 二、研究目的 长期以来，在混凝土应用的各个领域里，人们对混凝土的力学特性进行了大量的研究。如何充分的利用混凝土的力学性能，建造出更经济、更安全和更合理的建筑物或工程结构，一直都是结构工程设计领域研究的重要课题。 三、研究现状 混凝土是由粗骨料和水泥砂浆组成的非均质材料，它的力学性能
受到材料的品质、组分、施工工艺和使用条件等因素的影响。过去，人们对混凝土力学性能的研究很大程度上是依靠实验来确定的。随着实验技术的发展，混凝土各种力学性能被揭示出来。但由于实验需要花费大量的人力、物力和财力，而且所得到的实验成果往往由于实验条件的限制也是很有限的。 现代科学的一个重要的思维方式与研究方法就是层次方法，在对客观世界的研究中，当停留在某一层次，许多问题无法解决时，深入到下一个层次，问题就会迎刃而解。 对混凝土断裂问题的研究归纳为如下四个研究层次： 1)宏观层次：混凝土这种非均质材料存在着一个特征体积，经验的 特征体积相应于3～4倍的最大骨料体积。当混凝土体积大于这种特征体积时，材料被假定为均质的，当小于这种特征体积时，材料的非均质性将会十分明显。有限元计算结果反映了一定体积内的平均效应，这个特征体积的平均应力和平均应变称之谓宏观应力和宏观应变。 2)细观层次：在这个层次中，混凝土被认为是一种由骨料、砂浆和 它们之间的粘结带组成的三相非均质复合材料，细观内部裂隙的发展将直接影响混凝土的宏观力学性。细观层次的模型一般是毫米或厘米量级。 3)微观层次：在这个层次上，认为砂浆的非均质性是由浆体中的孔 隙所产生的。由于砂浆中孔隙很小而且量多，随机分布，水泥砂
玻璃钢2009年第3期研究报告 复合材料层合板的弯曲性能和试验 张汝光 （上海玻璃钢研究院有限公司，上海201404） 摘要 弯曲性能不用作设计参数。而弯曲试验，由于方法简单，却广泛用于质量检验。三点弯曲和四点弯曲试验，都存在剪切应力的影响，需要正确选择跨厚比，使剪切应力的影响降到最小。弯 曲模量和弯曲强度都是只对均匀层合板；对非均匀层合板，弯曲模量和弯曲强度没有物理意义，其弯曲性能应该用弯曲刚度和最大弯矩来表述。 关键词：层合板弯曲性能跨厚比 1 复合材料的弯曲试验和弯曲性能 弯曲试验严格地说适用范围仅是均匀层合板（沿厚度均匀铺层）。有人还提出，仅限于单向板或平面正交织物层合板。对于非均匀层合板，其弯曲性能还取决于铺层顺序，已经是结构的性能了。 弯曲试验的性能计算公式，建立在假设正应变是沿厚度方向呈线性分布的；材料是均质的。由于板材是均质的，因此应力（模量乘应变）也呈线性分布。层合板的中性面就在中心面上，应力、应变都为零，向层合板上下表面达到最大绝对值。由此，可推导出材料的弯曲模量和弯曲强度。对于非均匀层合板，仍可以假设应变呈线性分布，但因为各层模量不同，应力分布已不呈线性。弯曲试验方法给出的模量和强度计算公式不再成立了，不能使用。非均质层合板也不存在材料弯曲模量和弯曲强度的物理概念。对非均质层合板只能计算其弯曲刚度（弯矩和曲率比）和可承受的最大弯矩。试件铺层顺序和厚度尺寸还应与结构物层板严格相同，否则测出数据对产品没有直接参考意义。 弯曲试验测出的挠度，除弯曲挠度外，还包含剪切挠度。但在试验数据处理计算时按纯弯曲考虑，忽略了剪切影响。因此计算出的模量要比拉伸测出的低。而强度，由于是仅仅在试件中央最外层一点上（往往不是最薄弱点）承受最大应力，试件强度是试件在这一点上的强度；而拉伸试验是整个试件都承受一样的最大应力，试件的强度是整个试件中最薄弱处的 · 1 ·
复合材料层合板强度计算现状 1．简介 复合材料是指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料。一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，它改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。复合材料从应用的性质可分为功能复合材料和结构复合材料两大类。功能复合材料主要具有特殊的功能，例如:导电复合材料，它是用聚合物与各种导电物质通过分散、层压或通过表面导电膜等方法构成的复合材料；烧灼复合材料，它由各种无机纤维增强树脂或非金属基体构成，可用于高速飞行器头部热防护；摩阻复合材料，它是用石棉等纤维和树脂制成的有较高摩擦系数的复合材料，应用于航空器、汽车等运转部件的制动。功能复合材料由于其涉及的学科比较广泛，已不是单纯的力学问题，需要借助电磁学，化学工艺、功能学等众多学科的研究方法来研究。结构复合材料一般由基体料和增强材料复合而成。基体材料主要是各种树脂或金属材料；增强材料一般采用各种纤维和颗粒等材料。其中增强材料在复合材料中起主要作用，用来提供刚度和强度，而基体材料用来支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷。结构复合材料在工农业及人们的日常生活中得到广泛的应用，也是复合材料力学研究的主要对象，是固体力学学科中一个新的分支。在结构复合材料中按增强材料的几何形状及结构形式又可划分为以下三类： 1．颗粒增强复合材料，它由基体材料和悬浮在基体材料中的一种或多种金属或非金属颗粒材料组合而成。 2．纤维增强复合材料，它由纤维和基体两种组分材料组成。按照纤维的不同种类和形状又可划分定义多种复合材料。图1.1为长纤维复合材料的主要形式。 图1.1
3．复合材料层合板，它由以上两种复合材料的形式组成的单层板，以不同的方式叠合在一起形成层合板。层合板是目前复合材料实际应用的主要形式。本论文的主要研究对象就是长纤维增强复合材料层合板的强度问题。长纤维复合材料层合板主要形式如图1.2所示。 图1.2 一般来说，强度是指材料在承载时抵抗破坏的能力。对于各向同性材料，在各个方向上强度均相等，即强度没有方向性，常用极限应力来表示材料的强度。对于复合材料，其强度的显著的特点是具有方向性。因此复合材料单层板的基本强度指标主要有沿铺层主方向（即纤维方向）的拉伸强度Xt和压缩强度Xc；垂直于铺层主方向的拉伸强度Yt和压缩强度Yc以及平面内剪切强度S等5个强度指标。对于复合材料层合板而言，由于它是由若干个单层板粘合在一起而形成的，而单向复合材料又是正交各向异性材料，层合板的各个铺层的纤维排列方式不相同，可能导致因为受力作用所产生各铺层的变形不一致，因此，其如何决定其最终强度就是一个非常复杂的问题。 复合材料层合板的强度是应用复合材料时所必须研究的关键性问题之一，如何确定其强度是进行复合材料结构设计所必需解决的一个基本问题，是安全可靠合理经济地使用复合材料的基础之一，因此对于复合材料强度的研究是复合材料领域内最早受到重视并开展研究较为广泛的一个基础性工作。但是相对于各向同性材料来说，复合材料，特别是层合板的复合材料的强度研究要困难的多。原因在于影响其强度的因素很多，而其破坏形式又很复杂，实验数据较为分散。同传统的单相材料相比，复合材料强度问题的复杂性在于： (1) 细观结构受力的复杂性。从承受和传递应力系统的角度来看，复合材料可以视为一个“结构”，即由两类“元件”纤维与基体所构成的结构。因此，复合材料的破坏与组分材料的破坏特性有关。一般地说，纤维是刚硬的、弹性和脆
第二章单向层合板的正轴刚度 本章的一些讲法与讲义次序不同，请同学们注意，另外一些在材料力已阐明的概念，如应力、应变等在这里不再强调，希望大家能自学与复习。 §2—1 正交各向异性材料的特点 ●各向同性材料 ●各向异性材料 我们这里所指的各向异性材料的特点仅仅是指在不同方向上材料的力学性质不同（机械性能）。 ●正交各向异性材料 正交各向异性材料是一种特殊的各向异性材料。 其特点为: 这类材料有三个互相垂直的弹性对称面（与弹性对称面对称的点性质相同），在平行方向上的弹性质(力学特性)均相同。 如多层单向板，当不考虑纤维与基体性质的不均匀性，粘结层又很薄可以忽略，即把它写作“连续匀质”材料看，则三个弹性对称面
分别为：与单层平行的面及与它垂直的纵向、横向的两个切面。板上任何两点，在平行方向上的力学性质是一样的。 把这三个弹性平面相交的三个轴称为弹性主轴，也称为正轴。 下图是一种典型的正交个向异性材料，当厚度很小时可处理为正交个向异性板。 用宏观力学处理连续纤维增强复合材料层压板结构时，总是把单向层板作为基本单元来分析层合板。 层合板的组成 增强纤维排列方向一致所粘合的薄层称单向(单层)板（层），有时把很多单层粘合在一起，各层的纤维排列方向均一致，也称单向板。 正轴的弹性常数 正交各向异性弹性体，1、2、3轴为它的弹性主轴，则沿这三个轴共有9各独立弹性常数。
1E 、2E 、3E ——杨氏模量； 12G 、13G 、23G ——剪切模量； 21v 、31v 、32v ——泊松系数。 21v 表示在1方向拉伸时在2方向产生的收缩效应系数； 同样，12v 表示在2方向拉伸时在1方产生的收缩效应系数。 1221v v ≠ 这点与各向同性材料不同。 并有关系式 212 121E v E v = 313131E v E v = 3 23232E v E v = ∴ 12 v 、13v 、23v 是不独立的系数。 顺便指出，有的文献定义12v 为1方向拉伸时在2方向的收缩系数。 对正交个向异性薄板，在力学分析中可作为平面应力问题处理，此时不考虑板厚方向的弹性效应。 如果设3方向为板厚方向，则上述弹性常数13G 、23G 、31v 、32v 在方程（εσ-关系）中不出现，因此，对这类问题独立的弹性常数只有4个：1E 、2E 、21v 、12G 及关系式： 2 12 121E v E v = 对单向单层板，纤维方向与垂直纤维方向为弹性主轴，分别称为
3019《复合材料力学》考试大纲 《复合材料力学》全面、系统地阐述了复合材料力学基础、宏观力学和细观力学的基本理论、分析方法和结果，并介绍了混杂复合材料，复合材料疲劳、断裂和连接等专题，以及纳米复合材料、生物／仿生复合材料和智能复合材料等现代新型复合材料及其分析方法。考试内容及要求如下： 第1章单层复合材料的宏观力学分析 平面应力下单层复合材料的应力—应变关系，单层材料任意方向的应力—应变关系 单层复合材料的强度，正交各向异性单层材料的强度理论 第2章复合材料力学性能的实验测定 纤维和基体的力学性能测定，单层板基本力学性能的实验测定，其他力学性能实验 第3章层合板刚度的宏观力学分析 层合板的刚度和柔度，几种典型层合板的刚度计算，层合板刚度的理论和实验比较 第4章层合板强度的宏观力学分析 层合板强度概述，层合板的应力分析，层合板的强度分析，层合板的层间应力分析 第5章湿热效应 单层板的湿热变形，考虑湿热变形的单层板应力—应变关系，考虑湿热变形的层合板刚度关系，考虑湿热变形的层合板应力和强度分析 第6章层合平板的弯曲、屈曲与振动 层合平板的弯曲，层合平板的屈曲，层合平板的振动，层合板中耦合影响的简单讨论 第7章若干专题 混杂复合材料及其力学分析，金属基复合材料和陶瓷基复合材料，纳米复合材料简介，复合材料的疲劳，复合材料的损伤和断裂，复合材料的蠕变，复合材料的连接，横向剪切的影响 第8章复合材料的有效性质和均质化方法 尺度和代表单元的概念，细观过渡方法 第9章单层复合材料的细观力学分析 刚度的材料力学分析方法，强度的材料力学分析方法，短纤维复合材料的细观力学分析，热膨胀的力学分析，刚度的弹性力学分析方法 第10章复合材料线性有效模量预测的近似方法 宏观整体坐标系和局部坐标系，稀疏方法，Mori—Tanaka方法，自洽方法，微分法，广 —1—
2009-09-12 10:34 by:有限元来源:广州有道有限元 复合材料是指由两种或者两种以上不同性能的材料在宏观尺度上组成的多相材料。一般复合材料的性能优于其组分材料的性能，它改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。复合材料从应用的性质可分为功能复合材料和结构复合材料两大类。功能复合材料主要具有特殊的功能，例如:导电复合材料，它是用聚合物与各种导电物质通过分散、层压或通过表面导电膜等方法构成的复合材料；烧灼复合材料，它由各种无机纤维增强树脂或非金属基体构成，可用于高速飞行器头部热防护；摩阻复合材料，它是用石棉等纤维和树脂制成的有较高摩擦系数的复合材料，应用于航空器、汽车等运转部件的制动。功能复合材料由于其涉及的学科比较广泛，已不是单纯的力学问题，需要借助电磁学，化学工艺、功能学等众多学科的研究方法来研究。结构复合材料一般由基体料和增强材料复合而成。基体材料主要是各种树脂或金属材料；增强材料一般采用各种纤维和颗粒等材料。其中增强材料在复合材料中起主要作用，用来提供刚度和强度，而基体材料用来支持和固定纤维材料，传递纤维间的载荷。结构复合材料在工农业及人们的日常生活中得到广泛的应用，也是复合材料力学研究的主要对象，是固体力学学科中一个新的分支。在结构复合材料中按增强材料的几何形状及结构形式又可划分为以下三类： 1．颗粒增强复合材料，它由基体材料和悬浮在基体材料中的一种或多种金属或非金属颗粒材料组合而成。 2．纤维增强复合材料，它由纤维和基体两种组分材料组成。按照纤维的不同种类和形状又可划分定义多种复合材料。图1.1为长纤维复合材料的主要形式。 图1.1 3．复合材料层合板，它由以上两种复合材料的形式组成的单层板，以不同的方式叠合在一起形成层合板。层合板是目前复合材料实际应用的主要形式。本论文的主要研究对象就是长纤维增强复合材料层合板的强度问题。长纤维复合材料层合板主要形式如图1.2所示。 图1.2
基本概念： 1、单层复合材料的宏观均匀性、宏观正交各向异性的意义；简述复合材料的工艺特点、生产流程。 宏观均匀性：材料内任意一点处的宏观物理特性都完全相同 宏观正交各向异性：材料具有两个正交弹性对称面，且材料中同一点处沿不同方向的力学性能不同 工艺特点： a.材料制造和构件成型同时完成，一般情况下，复合材料的生产过程也就是构件的成型过程，材料的性能必须根据构件的使用要求进行设计，因此在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足构件的物化性能、结构形状和外观质量要求等； b.成型工艺灵活简单，可用模具一次成型法来制造各种构件。 常用的成型方法主要有：手糊成型、喷射成型、缠绕成型、层压成型、拉挤、RTM等方法。生产流程：复合材料的生产流程主要有四个步骤：润湿/浸渍、铺层、叠层、固化 a、润湿/浸渍：纤维和树脂混合形成薄层； b、铺层：按设计角度和位置铺设纤维布或预浸料； c、叠层：使每层预浸料或薄层之间紧密结合，排出气泡 d、固化：可在真空或压力辅助下进行，固化时间越短，工艺的生产效率越高。 2、复合材料的基本概念，种类，优缺点； 基本概念：是由两种或者多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料，一般复合材料的性能优于组分材料，并且有些性能是原来组分材料所没有的，复合材料改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。 种类：根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料分为： a、颗粒复合材料，由颗粒增强材料和基体组成； b、纤维增强复合材料，由纤维和基体组成； c、层合复合材料，由多种片状材料层合而成 优缺点：p16、p17 3、简述复合材料飞机雷达罩的性能要求以及基本组成结构和制造方法。 a、性能要求：透波、维持飞机整体空气动力学外形、减小阻力、保护雷达天线； b、组成结构：胶结泡沫板、充气式结构、螺接翼缘的实体薄板、金属空间骨架、薄蒙皮、