复合材料力学

第九章复合材料力学材料力学的任务是研究均匀、各向同性材料在外力作用下的变形、受力和破坏的规律。

为合理设计构件提供有关强度、刚度和稳定性分析的基本理论和方法。

自20世纪40年代开始，现代复合材料得到了飞速发展，这种由两种或两种以上组分材料复合而成的多相材料，其物理、化学、力学等性能，满足了任何单一材料都难以满足的性能要求。

然而，这种复合材料在外力作用下的变形、受力和破坏的规律已不同于像传统金属材料那样的规律，因此复合材料力学就是研究这种新型的材料在外力作用下的变形、受力和破坏规律，为合理设计复合材料构件提供有关强度、刚度和稳定性分析的基本理论和方法。

本章介绍的复合材料力学是以纤维和塑料组成的纤维增强复合材料为主要对象的，主要介绍连续纤维增强复合材料在外力作用下的变形、受力和破坏的规律。

各向异性体弹性力学基础传统的金属材料一般看作是各向同性体，通常在弹性范围内研究其变形和受力采用的是各向同性体弹性力学。

然而纤维增强复合材料最常用的是层合板结构形式，即由纤维和基体组成一种铺层（或称单层），并以不同方向层合而成一种多向层合板（如果同一种铺层都处于同一方向称为单向层合板）。

这种层合板成为复合材料结构件的基本单元，而铺层是层合板的基本单元。

因此本章介绍复合材料的刚度与强度，是从介绍铺层的刚度与强度开始，然后介绍多向层合板的刚度和强度。

铺层是由无纬布或交织布经预浸胶处理并按实际结构件的形状及构成多向层合板所规定的方向进行铺设，然后加温（或常温）固化制成。

所以铺层、层合板和复合材料结构件是一次完成的一般的铺层（无论是无纬布或交织布形成的）是正交各向异性的，即具有两个相互垂直的弹性对称面。

因此复合材料不同于金属材料，它具有各向异性的弹性特性，为此首先要对各向异性体弹性力学作一简要介绍。

各向异性体弹性力学与各向同性体弹性力学的主要差别，仅在于应力-应变关系的不同，而解决弹性力学问题还需涉及的平衡方程、几何方程、协调方程和边界条件等，则完全相同。

复合材料的力学性能分析复合材料是由两种或以上的不同材料在力学上结合形成的材料，具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀等优良特性，被广泛应用于汽车、航空、航天、体育用品等领域。

然而，复合材料的力学性能与其组成材料、制备工艺、结构形式密切相关，需要经过细致的分析才能充分发挥其优势。

一、组成材料的力学性能分析复合材料由纤维和基体材料结合形成，其中纤维通常是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，基体材料通常是树脂、金属等。

因此，复合材料的力学性能与其组成材料密切相关。

1.纤维材料的力学性能纤维材料具有很高的强度和刚度，可以充分发挥复合材料的优势。

常用的纤维材料有碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。

其中，碳纤维的强度和刚度最高，但价格也最昂贵，适用于高端领域；玻璃纤维强度和刚度较低，价格相对便宜，适用于一般领域；芳纶纤维具有较高的温度和化学稳定性，适用于高温环境。

2.基体材料的力学性能基体材料主要起粘结纤维材料的作用，因此需要具有较好的强度和可塑性。

常用的基体材料有环氧树脂、酚醛树脂、聚丙烯等。

环氧树脂具有较好的成型性和高强度，适用于高端领域；酚醛树脂价格相对便宜，但强度和成型性较差，适用于一般领域；聚丙烯具有良好的化学稳定性和低密度，适用于航空、航天等领域。

二、制备工艺对力学性能的影响分析复合材料制备工艺是影响其力学性能的重要因素之一。

常用的制备工艺有手工层叠法、自动层叠机法、注塑成型法等。

1.手工层叠法手工层叠法是复合材料制备的最早方法之一，其优点是成本低，适用于小批量生产；缺点是生产效率低，工艺难以控制，制品质量不稳定，易产生接触、空气泡等缺陷。

2.自动层叠机法自动层叠机法是指利用专用机器进行自动化生产的方法，其优点是生产效率高，无人工干预，制品质量稳定；缺点是设备成本高，不适用于小批量生产，工艺仍需改进和控制。

3.注塑成型法注塑成型法是将熔融状态的树脂注入到预制的模具中，并在高温高压下形成制品的方法，其优点是最大程度地消除了接触缺陷、空气泡等缺陷，制品密实，精度高，产品性能稳定；缺点是成本高，需要专用模具，适用于大批量生产。

复合材料中的材料力学性能分析复合材料是由两种或两种以上不同材料组合而成的新材料，其具有优异的力学性能，如高强度、高刚度、低密度等。

因此，对复合材料的力学性能进行分析，对于材料的设计、制备、应用等方面具有重要意义。

本文将从两个方面对复合材料中的材料力学性能进行分析：材料力学性能评价和材料力学性能分析方法。

一、材料力学性能评价材料力学性能评价是对复合材料力学性能进行定量评估和比较的过程。

常用的力学性能指标包括强度、弹性模量、断裂韧性、疲劳寿命等。

1. 强度：强度是材料抵抗外部载荷而产生破坏的能力。

在复合材料中，强度可以分为拉伸强度、压缩强度、剪切强度等。

通过力学试验，可以测定复合材料在不同载荷下的强度，并进行比较和评价。

2. 弹性模量：弹性模量反映了材料在受力时的变形能力。

对于复合材料来说，弹性模量通常通过静态拉伸试验中的应力-应变曲线来计算。

弹性模量高，表示材料具有较好的刚度特性。

3. 断裂韧性：断裂韧性是材料抵抗断裂的能力。

在复合材料中，断裂韧性的评价可以通过冲击试验或断裂韧性试验来进行。

断裂韧性高的材料具有抗冲击、抗断裂的能力。

4. 疲劳寿命：疲劳寿命是材料在交变载荷下能够承受的循环次数。

复合材料的疲劳寿命是指在特定应力水平下，材料能够进行多少次完全循环才会发生失效。

通过疲劳试验可以评估复合材料的疲劳性能。

二、材料力学性能分析方法要进行复合材料的力学性能分析，需要使用一些合适的试验方法和数值模拟技术，以下是常用的材料力学性能分析方法：1. 静态力学试验：静态力学试验是研究材料在静态加载下的力学性能的基本方法。

通过服从背景的应力-应变关系曲线可以获得弹性模量和屈服强度等性能参数。

2. 动态力学试验：动态力学试验是研究材料在动态加载下的力学性能的方法。

冲击试验和振动试验是常用的动态力学试验方法，可以评估复合材料在冲击或振动环境下的力学性能。

3. 数值模拟：数值模拟是通过计算方法来预测和分析材料力学性能的方法。

复合材料力学
复合材料力学是一门在航空航天、船舶、核工业、建筑、机械及其它多种有关行业中
应用较广的力学分支学科，主要研究复合材料的性能、结构故障分析和强度评定。

简单地说，复合材料力学是一种应用力学，它主要应用于研究复合材料的性能、结构破坏分析和
强度评定。

复合材料指的是多种材料形式的组合，由两种或以上的互补有机物质的混合物组成，
例如碳纤维增强塑料、橡胶增强碳素纤维增强陶瓷、碳素纤维增强树脂等等，具有更优越
的机械性能、抗冲击性能、延伸性能和高温使用性能等优势，因此可以使机械结构得到大
量减轻，节约资源、降低成本。

复合材料力学主要研究内容包括：复合材料的弹性特性、复合材料时变力学特性、
复合材料结构强度分析、复合材料缺陷检测和失效分析、复合材料的加工工艺等。

通过对
复合材料的性能、结构破坏及强度、失效评价等方面进行研究，可以更好地发展复合材料，使其在航空航天、船舶等方面的应用更加普及。

复合材料力学是一门新兴的学科，目前在国内还处于起步阶段，全面发展需要全面照
顾复合材料的各方面特性并进行综合研究，才可以充分发挥复合材料在航空航天、船舶等
行业中的优势，更好地发展复合材料应用技术。

复合材料的力学性能研究复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成，其中至少有一种材料是具有一定强度和刚度的纤维或颗粒。

复合材料的力学性能是研究复合材料行为和性能的重要方面。

本文将探讨复合材料力学性能研究的相关内容。

1. 复合材料的组成和分类复合材料由基体和增强材料组成。

基体是材料的主要组分，承担着传递载荷的作用，常见的有金属、塑料和陶瓷。

增强材料则是用来提高材料力学性能的成分，如纤维和颗粒，可以提供强度和刚度。

基于不同的增强材料，复合材料可以分为纤维增强复合材料和颗粒增强复合材料。

2. 复合材料的强度和刚度复合材料相比于传统材料具有更高的强度和刚度。

这是因为增强材料可以承受大部分载荷，基体则起到支撑和保护的作用。

纤维增强复合材料的强度主要取决于纤维的性质和取向，而颗粒增强复合材料则取决于颗粒的尺寸和分布。

通过调整增强材料的形状和含量，可以进一步改变复合材料的强度和刚度。

3. 复合材料的断裂行为复合材料的断裂行为是研究复合材料力学性能的重点之一。

断裂通常分为拉伸断裂和剪切断裂两种形式。

在拉伸断裂中，纤维会逐渐断裂，而在剪切断裂中，流动的基体和增强材料之间会发生剪切滑移。

复合材料的断裂行为受到多种因素的影响，如增强材料的分布、基体的粘附力和界面结构等。

研究这些因素对断裂行为的影响，可以提高复合材料的断裂韧性和抗冲击性能。

4. 复合材料的疲劳性能复合材料在长期使用和加载循环中可能出现疲劳损伤。

与金属材料不同，复合材料的疲劳行为更为复杂。

复合材料的疲劳损伤通常包括纤维断裂、基体裂纹扩展和界面失效。

研究复合材料的疲劳性能，可以提高材料的使用寿命和可靠性。

通过合理设计复合材料的结构和增强材料的分布，可以减缓疲劳损伤的发展。

5. 复合材料的热性能和耐腐蚀性能除了力学性能，复合材料的研究还包括热性能和耐腐蚀性能。

复合材料在高温环境中的性能表现和在一般温度下有所不同。

研究复合材料的热膨胀特性和热传导性能，有助于优化复合材料在高温环境下的应用。

复合材料力学复合材料力学是研究复合材料在受力作用下的力学性能和行为的学科，它涉及材料力学、结构力学、材料科学等多个学科的知识。

复合材料是由两种或两种以上不同类型的材料组成的材料，通过它们的组合可以获得优异的性能，如高强度、高刚度、轻质等特点。

因此，复合材料在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域得到了广泛的应用。

在复合材料力学中，我们需要了解复合材料的基本结构和性能。

复合材料通常由增强相和基体相组成，增强相通常是纤维、颗粒或片材，而基体相则是粘合剂或基体材料。

增强相的作用是提供材料的强度和刚度，而基体相则起到固定增强相的作用。

在复合材料力学中，我们需要研究增强相和基体相之间的相互作用，以及它们在受力时的行为。

另外，复合材料的制备工艺也对其力学性能有着重要的影响。

不同的制备工艺会影响到复合材料中增强相的分布、排列方式以及与基体相的结合情况，从而影响到复合材料的力学性能。

因此，研究复合材料力学需要考虑到材料的制备工艺对其性能的影响。

复合材料的力学性能包括拉伸性能、弯曲性能、压缩性能等多个方面。

在受拉伸力作用下，我们需要研究复合材料的强度、断裂韧性、屈服行为等性能；在受弯曲力作用下，我们需要研究复合材料的弯曲刚度、弯曲强度、弯曲疲劳性能等；在受压缩力作用下，我们需要研究复合材料的稳定性、压缩强度、压缩疲劳性能等。

通过研究这些性能，我们可以全面了解复合材料在受力作用下的行为，为其在工程领域的应用提供依据。

除了静态力学性能外，复合材料的动态力学性能也是复合材料力学研究的重要内容之一。

复合材料在动态加载下会出现疲劳、冲击等现象，这些现象对材料的损伤和破坏有着重要影响。

因此，研究复合材料在动态加载下的力学性能，对于预测材料的寿命和安全性具有重要意义。

总之，复合材料力学是一个综合性强、应用广泛的学科，它涉及到材料科学、结构力学、工程力学等多个学科的知识。

通过研究复合材料的力学性能，我们可以更好地理解和应用这类材料，在航空航天、汽车、船舶、建筑等领域发挥其优异的性能。

复合材料的力学分析引言复合材料是由两种或更多种材料组成的材料，通过将它们组合在一起来获得新的材料特性。

它们在航空航天、汽车工业、建筑和体育器材等领域得到广泛应用。

由于复合材料具有高强度、高刚度和低重量等优点，因此分析和了解复合材料的力学性能至关重要。

复合材料的组成及结构复合材料通常由两个主要成分组成：增强体和基体。

增强体可以是纤维、微粒或纤维布，而基体可以是金属、陶瓷或聚合物。

这两种成分通过一种称为矩阵的粘合剂结合在一起。

根据增强体的类型和排列方式的不同，复合材料可以分为各种类型，如纤维增强复合材料、颗粒增强复合材料和层合板复合材料等。

复合材料的力学行为复合材料的力学行为主要受到其组成材料及其排列方式的影响。

相对于单一材料，复合材料的力学性能具有以下特点：强度复合材料通常具有比单一材料更高的强度，这是由于增强体的存在。

纤维增强复合材料的强度通常取决于纤维的类型和排列方式。

微粒增强复合材料的强度与微粒的形状、大小和分布有关。

刚度由于增强体的高强度和高刚度，复合材料通常具有比单一材料更高的刚度。

复合材料的刚度取决于增强体的类型、体积分数以及增强体和基体之间的界面特性。

疲劳寿命复合材料的疲劳寿命与其增强体类型、触变行为以及界面特性有关。

在复合材料中，增强体和基体之间的应力转移不同于金属材料，可能导致剪切和剥离等破坏模式。

断裂韧性复合材料通常具有较低的断裂韧性，这是由于增强体和基体之间的界面层的弱点。

增强体与基体之间的界面层容易出现剥离和裂纹扩展。

复合材料的力学分析方法复合材料的力学分析方法可以分为实验方法和数值模拟方法。

实验方法实验方法是研究复合材料力学行为的重要手段之一。

常用的实验方法包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验和剪切试验等。

这些实验可以用于测量材料的强度、刚度、疲劳寿命和断裂韧性等力学特性。

数值模拟方法数值模拟方法通过建立复合材料的数学模型来预测其力学性能。

常用的数值模拟方法包括有限元分析和分子动力学模拟等。

复合材料的定义：是由有机高分子、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材料，它既能保留原组分材料的主要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能；可以通过设计使各组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的性能。

复合材料的特点：1复合材料具有可设计性2材料与结构具有同一性3复合材料结构设计包括材料设计4材料性能对复合工艺的依赖性5复合材料具有各向异性和非均质性的力学性能特点.复合材料的优点:1比强度高、比模量大2抗疲劳性好3减振性能好4破损安全性好5耐腐蚀性能好6电性能好7热性能好‘复合材料的缺点：1玻璃纤维复合材料的弹性模量低2层间强度低3属脆性材料4树脂基复合材料的耐热性较低5材料性能的分散性大。

复合材料细观力学：研究复合材料单层的宏观性能与组分材料性能及细观结构之间的定量关系。

复合材料细观力学假设：1复合材料单层是宏观非均匀、线弹性的、并且无初应力2纤维是均质、线弹性的，各项同性或横观各项同性的，形状和分布是规则的3基体是均质、线弹性、各项同性的4各相间粘结完好，界面无间隙。

在分析方法上，细观力学可采用材料力学法、弹性力学法和半经验法。

一次超静定问题和静定问题（串联模型的纵、横向弹性模量）C是接触系数，它表示纤维横向接触的程度，且介于0和1之间。

哈尔平-蔡提出了一种近似地表达比较复杂的细观力学结果的内插法。

临界纤维体积含量的定义：纤维微屈曲和剪切破坏是复合材料纵向压缩破坏的两个主要原因。

织物：指以相互垂直的经纱和纬纱构成的正交织物，如玻璃纤维布。

以织物为增强材料制成的复合材料单层板称为织物复合材料单层板，又称双向单层板。

应力传递理论:当复合材料受作用时，载荷直接作用到基体上，然后基体将载荷通过纤维与基体间界面上的剪应力传递到纤维上。

主要有理想刚塑性基体、弹性基体和弹塑性基体三大类。

短纤维全部随机分布于相互平行的平面内而制得的复合材料称为平面随机取向短纤维复合材料。

假设层合板为连续、均匀、正交各向异性的单层构成的一种连续性材料，并假设各单层之间是完全紧密粘接，且限于线弹性、小变形情况下研究层合板的刚度与强度，这种层合理论称为经典层合理论。

复合材料结构力学认识复合材料是由两种或多种不同性质的材料按一定比例组合而成的材料，具有优异的力学性能和广泛的应用前景。

复合材料结构力学认识主要包括复合材料的力学性质、力学模型和应力分析。

一、复合材料的力学性质复合材料的力学性质是指材料在力的作用下所表现出的性能。

常见的力学性质有强度、刚度、韧性、压缩性能等。

复合材料的力学性质主要受到纤维强度、纤维体积含量、纤维分布、树脂性能等因素的影响。

1.强度：复合材料的强度是指材料在外界作用力下的抵抗能力。

复合材料的强度取决于纤维的强度和纤维的体积含量，一般情况下，纤维强度越高、纤维体积含量越大，复合材料的强度越高。

2.刚度：复合材料的刚度是指材料在受力时的变形能力。

刚度取决于纤维的模量和纤维的体积含量，一般情况下，纤维的模量越高、纤维体积含量越大，复合材料的刚度越高。

3.韧性：复合材料的韧性是指材料在断裂前的变形能力。

韧性取决于纤维的断裂伸长率和断裂能量，一般情况下，纤维的断裂伸长率越高、断裂能量越大，复合材料的韧性越高。

4.压缩性能：复合材料的压缩性能是指材料在受到压缩力作用时的性能。

压缩性能与纤维的强度、纤维的分布和纤维的体积含量相关。

二、复合材料的力学模型为了更好地理解复合材料的力学性质，可以采用不同的力学模型来描述复合材料的行为。

1.刚度模型：刚度模型是指通过计算复合材料的刚度来分析其受力情况。

常用的刚度模型有矩阵刚度模型、重叠刚度模型等。

2.强度模型：强度模型是指通过计算复合材料的强度来分析其断裂行为。

常用的强度模型有矩阵强度模型、纤维折断模型、纤维剪切破坏等。

3.韧性模型：韧性模型是指通过计算复合材料的断裂伸长率和断裂能量来分析其韧性。

常用的韧性模型有矩阵韧性模型、纤维断裂韧性模型等。

三、复合材料的应力分析复合材料的力学分析需要对复合材料中纤维和基体的应力进行分析。

1.纤维应力分析：纤维应力是指纤维内部受到的力在纤维横截面上的分布情况。

纤维应力的计算需要考虑到纤维的拉伸和剪切行为。

复合材料力学介绍复合材料是由两种或两种以上的材料组成的复合材料，它们的组合可以产生非常特殊的性质，例如高强度，低密度和高温稳定性。

因此，它们的力学性质也是非常特殊的。

在这篇文章中，我们将介绍复合材料的力学性质，包括复合材料的弹性模量、弯曲和剪切强度以及断裂韧性。

我们将依次讨论每个主题。

1.弹性模量弹性模量是一个材料所表现出来的弹性行为的度量。

它衡量了材料在外力作用下发生微小变形的能力。

对于复合材料，其弹性模量由基材（matrix）和增强体（reinforcement）共同决定。

一般情况下，增强体的刚度比基材更高，所以增强体的贡献更大，从而提高了复合材料的弹性模量。

另外，复合材料的弹性模量还受到增强体的分布情况的影响。

如果增强体均匀地分布在基材中，则复合材料的弹性模量将更接近于增强体的弹性模量。

此外，在弹性模量方面，复合材料还受到增强体与基材之间的黏附力的影响。

2.弯曲和剪切强度复合材料的弯曲强度是指复合材料在负载作用下发生弯曲的最大程度。

根据复合材料的弯曲模型，它的弯曲强度与其几何形状、纤维方向、温度和湿度都有关系。

例如，当纤维方向与弯曲方向平行时，弯曲强度将最大。

剪切强度是衡量材料在剪切负载下破坏的最大能力。

复合材料的剪切强度往往比弯曲强度低，因为复合材料中的纤维通常是在其轴向向力下强和脆弱而在轴向横向力下脆弱。

3.断裂韧性断裂韧性是指材料在断裂时能够吸收的能量。

对于复合材料，其断裂韧性与其结构、增强体材料和基材材料的性质有关。

通常，增强体材料的束缚能量较大，从而提高了复合材料的断裂韧性。

除了上述主题，还有其他方面也需要考虑，如冷却过程中的残余应力、裂纹扩展和变形机制等。

总之，复合材料的力学性质非常复杂，各种因素相互影响。

因此，在设计和应用过程中，必须进行认真的力学分析和测试，以确保它们能够满足指定的要求和标准。

复合材料力学的基本原理与应用研究引言：复合材料由两种或多种不同的组分组成，以获得合成物性能优于其各组分的材料。

复合材料具有轻质高强度、高刚度、耐腐蚀性好等特点，因此在航天航空、汽车、建筑等领域得到广泛应用。

本文将介绍复合材料力学的基本原理以及其应用，包括复合材料的定律、实验准备和过程，并从专业性角度对其应用进行探讨。

一、复合材料的力学定律：1. 长期功效定律：长期功效定律（Time Dependent Behavior）描述了复合材料在受力作用下随时间发生的各种变化。

这是由于复合材料中不同组分的材料具有不同的力学性质，如纤维和基质的材料寿命不同，会导致力学性能的衰退。

2. 弹性力学定律：弹性力学定律（Elastic Behavior）描述了复合材料在小应变条件下的力学行为。

根据胡克定律，应力和应变之间存在线性关系，且力学性能由杨氏模量和泊松比等弹性参数确定。

3. 破坏力学定律：破坏力学定律（Failure Behavior）描述了复合材料在受力过程中的破坏行为。

复合材料的破坏通常包括纤维断裂、界面失效和基质破裂等多种模式，破坏过程受到力学性能和材料结构的综合影响。

4. 断裂力学定律：断裂力学定律（Fracture Mechanics）用于描述复合材料中存在的缺陷对结构强度和可靠性的影响。

基于应力强度因子的概念，可以定量评估复合材料中的缺陷对结构寿命的影响。

二、实验准备与过程：1. 实验准备：在进行复合材料力学实验之前，首先需要准备样品。

样品的制备过程涉及到选择合适的纤维和基质材料、确定纤维的取向和体积分数等参数。

同时，需要施加适当的压力和温度来制备出具有一定力学性能的复合材料。

2. 实验过程：复合材料力学实验通常包括拉伸、压缩、剪切等不同的加载方式。

通过施加一定的应变或应力，在不同的加载条件下测试复合材料的力学性能。

常见的实验方法包括拉伸试验、三点弯曲试验和剪切试验等。

实验过程中需要记录不同加载条件下的应力-应变曲线，以及观察和记录复合材料的破坏行为。