复合材料力学 第五章 复合材料层合板的强度

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复合材料层合板低速冲击及其剩余压缩强度作者：陆夏美严实曾涛
来源：《哈尔滨理工大学学报》2013年第05期
摘要：为了研究冲击能量对层合结构冲击性能及吸能特性的影响规律，本文主要采用不同冲击能量作用下的复合材料层合板低速冲击性能及其剩余压缩强度的研究方法.通过低速冲击
实验，研究了冲击能量对复合材料层合板的损伤影响.通过准静态压缩试验，较好地分析冲击
能量对试件的压缩剩余强度的影响.
关键词：复合材料层合板；低速冲击；冲击能量；剩余压缩强度。

T300AG80复合材料层合板力学性能的测试与分析的开题报告一、选题背景及意义复合材料层合板作为一种新型的材料，在航空、航天、汽车、建筑等领域得到广泛应用。

其中，T300AG80是一种常用的复合材料层合板，具有优良的力学性能。

为了了解T300AG80复合材料层合板的力学性能，需要进行相关测试和分析。

这不仅可以帮助人们更好地使用和设计该材料，还可以为复合材料层合板在实际应用中的推广和发展提供理论基础和指导。

二、研究内容本次研究的主要内容为T300AG80复合材料层合板的力学性能测试和分析。

具体包括以下几个方面：1.力学性能测试。

通过拉伸试验、压缩试验、剪切试验等方面对T300AG80复合材料层合板的力学性能进行测试，了解其强度、刚度、韧性等方面的性能表现。

2.力学性能分析。

根据测试结果，对T300AG80复合材料层合板的力学性能进行分析，探究其材料结构和力学特性之间的关系，以及在实际应用中可能面临的问题和挑战。

3.识别和解决问题。

在测试和分析过程中，如果发现T300AG80复合材料层合板存在问题，需要及时识别和解决。

例如，在实际应用中可能遇到的温度、湿度等环境因素对材料性能的影响等。

三、研究方法和技术路线本次研究的方法和技术路线如下：1.材料准备。

首先需要准备T300AG80复合材料层合板的试片，按照中国国家标准GB/T 1447-2005《复合材料力学性能试验方法》的要求进行制备。

2.力学性能测试。

采用测试设备对T300AG80复合材料层合板的拉伸强度、压缩强度、剪切强度等力学性能进行测试。

测试中需严格按照标准测试操作要求进行。

3.力学性能分析。

通过对测试数据和理论分析的比对，探究T300AG80复合材料层合板的力学特性和材料结构之间的关系。

4.识别和解决问题。

如果在测试和分析过程中发现T300AG80复合材料层合板存在问题，需要采取相应的技术手段和措施解决。

四、预期研究结果通过本次研究，预计可以得出以下预期研究结果：1.分析T300AG80复合材料层合板的力学性能表现，包括其强度、刚度、韧性等方面。

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1.13．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。

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 Roylance2000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。

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212121E v E v = 313131E v E v = 323232E v E v = ∴ 12v、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。

复合材料层合板失效分析概述复合材料层合板是一种由两个或多个不同材料的层片通过互相粘结形成的结构材料。

由于其具有良好的强度、刚度和耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域。

然而，在使用过程中，复合材料层合板可能会发生失效，降低其使用寿命和安全性。

因此，对复合材料层合板的失效进行分析非常重要。

本文将对复合材料层合板的失效进行分析，包括常见的失效模式、失效的原因以及预防措施。

常见的失效模式层间剥离层间剥离是复合材料层合板常见的失效模式之一。

当外部载荷作用在复合材料层合板上时，由于层间粘结强度不足，各层片之间会产生剪切应力，从而导致层间剥离失效。

纤维断裂纤维断裂是指复合材料层合板中纤维失效的情况。

由于复合材料的力学性能主要依赖于纤维的强度和刚度，当外部载荷达到纤维的极限强度时，纤维会发生断裂失效。

矩阵破坏复合材料层合板中的矩阵是纤维的粘结剂，当外部载荷作用在复合材料上时，矩阵可能会发生破坏。

矩阵破坏会导致脆性断裂，并可能引起层间剥离和纤维断裂。

疲劳失效疲劳失效是指复合材料层合板在长期受到交替或重复的载荷作用下，发生裂纹扩展和失效的情况。

疲劳失效通常由于载荷引起的局部变形和材料的应力集中导致。

失效的原因复合材料层合板失效的原因主要包括以下几个方面：设计不合理复合材料层合板的设计不合理是导致失效的重要原因之一。

设计应考虑到载荷的大小、方向和作用方式，合理设计层合板的厚度、层序和层间粘结结构，以确保其承载能力和韧性。

制造质量不合格制造过程中的质量问题也可能导致复合材料层合板失效。

例如，层片之间的粘结强度不足、纤维布局不合理、矩阵中含有缺陷等，都可能导致失效。

外部环境外部环境的异常变化也会导致复合材料层合板的失效。

例如，温度变化、湿度变化、化学腐蚀等都会对复合材料层合板的性能产生影响，进而导致失效。

预防措施为了预防复合材料层合板的失效，可以采取以下预防措施：合理设计合理的设计是预防失效的关键。

应根据复合材料层合板的使用条件和载荷要求，设计出合适的层厚比、层片间的粘结结构，避免出现层间剥离、纤维断裂等失效模式。

· 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。