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【完整版】复合材料界面力学分析与设计开题报告

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附录3开题报告

毕业设计(论文)开题报告

复合材料界面与设计

先进聚合物复合材料界面设计与表征进展 姓名:卢刚班级:材研1005 学号:104972100244 摘要:本文简述了界面的形成与作用机理,着重介绍了聚合物基复合材料界面改进的几种方法。 关键词:聚合物;复合材料;界面 Abstract:This paper briefly describes the formation of the interface and the mechanism of action,mainly introduces some methods about the UI improvement of the polymer-based composites. 1引言 聚合物基复合材料是由纤维和基体结合为一个整体,使复合材料具备了原组成材料所没有的性能,并且由于界面的存在,纤维和基体所发挥的作用,是各自独立而又相互存在的。 界面是复合材料组成的重要组成成分,它的结构与性能,以及粘合强度等因素,直接关系到复合材料的性能。所以,复合材料界面问题的研究有着十分重要的意义。 现代科学的发展为复合材料界面的分析表征提供了强有力的手段。扫描电镜、红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、动态力学分析、原子粒显微镜等,在复合材料界面分析表征中得到充分利用,为揭示界面的本质、丰富界面的理论做出了重要贡献。 2界面的形成与作用机理 2.1界面的形成 复合材料体系对界面要求各不相同,它们的成形加工方法与工艺差别很大,各有特点,使复合材料界面形成过程十分复杂,理论上可分为两个阶段:第一阶段:增强体与基体在一组份为液态(或粘流态)时的接触与浸润过程。在复合材料的制备过程中,要求组份间能牢固的结合,并有足够的强度。要实现这一点,必须要使材料在界面上形成能量最低结合,通常都存在一个液态对固体的相互浸润。所谓浸润,即把不同的液滴放到不同的液态表面上,有时液滴会立即铺展开来,遮盖固体的表面,这一现象称为“浸润”。

(完整版)12级复合材料结构设计参考资料

复合材料结构设计参考资料复合材料与工程 考试形式 笔试闭卷 考试时间和地点 时间:2015年6月25日14:00--15:40 地点:材料学院A107 题型与分数分布 一.名词解释 二.填空题 三.简答题 四.计算题

一、绪论 1.复合材料:由两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与组分材料性质不同的新材料,且各组分材料之间具有明显的界面。 一相为连续相,称为基体;起连接增强体、传递载荷、分散载荷的作用。 一相为分散相,称为增强体(增强相)或功能体。是以独立的形态分布在整个连续相中的,两相之间存在着相界面。(分散相可以是增强纤维,也可以是颗粒状或弥散的填料) 主要起承受载荷的作用,赋予复合材料以一定的物理、化学功能。 2.复合材料分类: A按基体材料分:树脂基的复合材料、金属基复合材料、无机非金属复合材料 B按分散相形态分:连续纤维增强、纤维织物增强、片状材料增强、短纤维增强、颗粒增强C按增强体材料种类分类:玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维。 D按用途分类:结构复合材料:利用复合材料的各种良好力学性能用于制造结构的材料。 功能复合材料:指具有除力学性能以外其他物理性能的复合材料 3.复合材料的结构层次: 三次结构:纤维缠绕压力容器,即平常所说的制品结构(a) 二次结构:从容器壁上切取的壳元即是由若干具有不同纤 维方向的单层材料按一定顺序叠合而成的层合 板(b) 一次结构:层合板的一个个铺层,是层合板的基本单元(c) 二、单层板的宏观力学分析 1.单层板的正轴刚度 正向:也就是说应力方向与坐标方向一致方向为正向,相反为负向。 正面:截面外法线方向与坐标轴方向一致的面,否则为负面。 σ1和σ2——表示正应力分量:拉伸为正,压缩为负,也就是使整 个单层板产生拉伸时的应力为正应力,而使单层板产生压缩时的应 力为负应力。 τ12——表示剪应力分量:其中正面正向为正;负面负向也为正。 A.力学实验 a.纵向单轴试验: 纵向泊松比v1是单层板由于纵向单轴应力σ1而引起的横向线应变ε2(1)与纵向线应变ε1(1)的比值。(ε2(1)表示的是这个应变是由纵向应力σ1引起的) b.横向单轴试验

CSiC陶瓷基复合材料界面力学性能的离散元模拟李林涛

C/SiC陶瓷基复合材料界面力学性能的离散元模拟* 李林涛,谭援强,姜胜强 (湘潭大学机械工程学院,湘潭411105 )摘要 采用离散元法(DEM),用BPM(Bonded-p article model)模型分别建立并校准SiC陶瓷基体和碳纤维离散元模型,采用位移软化接触模型表征层间和纤维/基体之间的界面元损伤双线性本构关系。通过DCB试验(Doub-le cantilever beam virtual test)和微滴脱黏试验分别对其界面强度进行收敛试验,动态地观察了塑性变形、裂纹扩展及界面脱黏过程。结果表明,位移软化接触模型可以很好地表征界面损伤过程,采用离散元法可以很好地动态模拟较复杂复合材料的损坏过程。 关键词 C/SiC复合材料 界面性能 离散元法(DEM) 位移软化接触模型 模拟 中图分类号:TB332 文献标识码:A Study  on Interfaces Properties of C/SiC Ceramic Matrix CompositesUsing  Discrete Element MethodLI Lintao,TAN Yuanqiang ,JIANG Shengqiang(School of Mechanical Engineering,Xiangtan University,Xiang tan 411105)Abstract With the aid of BPM(Bonded-particle model),the discrete element models of SiC ceramics matrixand carbon fiber were set up and calibrated separately by the discrete element method(DEM).The bilinear cohesivelaw of interface element damage in interlayer and on matrix/fiber interface was characterized using displacement-sof-tening contact models,and then calibrated by DCB test(Double cantilever beam virtual test)and microbond test,re-spectively.Plastic deformation,crac-king growth situation and dynamic processes of interface debonding were ob-served in these simulation tests.The results show that the displacement-softening contact model could characterize in-terfacial damage process nicely,and discrete element method could simulate dynamic damage process for more complexcomposite materials admirably .Key words C/SiC composites,interfacial properties,discrete element method(DEM),displacement-softeningcontact  model,simulation *国家自然科学基金( 50875224;51005194);湖南省研究生科研创新基金(CX2010B262) 李林涛: 男,1985年生,硕士,主要从事机械工程材料和离散元研究 E-mail:lilintao212@163.com 谭援强:男,博士生导师,主要从事摩擦学、离散元和机械传动方面研究 E-mail:tanyq @xtu.edu.cn0 引言 C/SiC陶瓷基复合材料具有耐高温、 抗腐蚀、高强度、高韧性等优良的高温力学性能,在航空航天、航海、汽车等领域有着广泛应用 [1] 。与SiC陶瓷材料相比, 由于碳纤维的加入,C/SiC陶瓷基复合材料的韧性得到了有效提高, 使陶瓷脆性材料表现出伪塑性行为,减少了发生灾难性损坏的几率[ 2,3] 。目前,国内外学者主要采用有限元法(FEM) 对复合材料进行计算模拟研究。张博明等[4] 通过有限元模拟方法分析 了微观参数(如界面强度等)对材料宏观性能的影响,从而对 复合材料进行优化设计。李典森等[5]采用有限元法建立了 编织型复合材料的三维模型,模拟得到合理的应力分布,可以对不同的复合材料起到预知作用。FEM在工程应用上比较成熟, 在复合材料上却很难解释基体微裂纹对界面的影响,也难以动态观察微裂纹的扩展过程。关于离散元法 (DEM) ,块体材料是由接触键和平行键相连接的颗粒集合来模拟其属性,只要外界载荷超过颗粒间键的强度或断裂能,键就发生断裂。改变断裂键的颜色就可以形象地观察到裂纹的运动以及界面脱黏等情况。同时位移软化接触模型是一种双线性结构,与界面元本构模型很接近,可以用来表征界面力学性能。基于DEM的这些优势和特点,采用PFC(Particle flow code)软件建立并校准复合材料SiC基体和碳纤维的离散元(BPM)模型,以位移软化接触模型模拟脆/脆复合材料的界面属性,并通过DCB和微滴脱黏收敛试验,再现裂纹的生成与扩展及界面脱黏等过程,使离散元法在复合材料领域里发挥独特的优势。 1 离散元法 离散元法(Discrete element method,DEM)起源于分子动力学。1971年,离散元法首先由Cundall提出( 适用于岩·841·材料导报B:研究篇 2 012年11月(下)第26卷第11期

复合材料细观力学答案

一、知识部分 1、计算面心立方、体心立方结构的(100)、(110)、(111)等晶面的面密度,计算密排六方结构的(0001)、(1010)晶面的面密度(面密度定义为原子数/单位面积)。 解:设立方结构的晶胞棱长为a 、密排六方结构晶胞轴长为a 和c 。 (1)体心立方:在一个晶胞中的(001)面的面积是2a ,在这个面积上有1个原子,所以其面密度为21a ;在一个晶胞中的(110)面的面积是22a ,在这个面积上有2个原子,所以其面密度为22 a ;在一个晶胞中的(111)面的面积是223a ,在这个面积上有2个原子,所以其面密度为223a 。 (2)面心立方:在一个晶胞中的(001)面的面积是2a ,在这个面积上有2个原子,所以其面密度为22a ;在一个晶胞中的(110)面的面积是22a ,在这个面积上有2个原子,所以其面密度为22 a ;在一个晶胞中的(111)面的面积是223a ,在这个面积上有1.5个原子,所以其面密度为23a 。 (3)密排六方:在一个晶胞中的(0001)面的面积是22 3a ,在这个面积上有1个原子,所以其面密度为2332a ;在一个晶胞中的(1010)面的面积是c a 2,在这个面积上有次个原子,所以其面密度为 c a 21;

2、纯铁在912℃由bcc 结构转变为fcc 结构,体积减少1.06%,根据fcc 结构的原子半径计算bcc 结构的原子半径。它们的相对变化为多少?如果假定转变前后原子半径不变,计算转变后的体积变化。这些结果说明了什么? 解:设bcc 结构的点阵常数为a b ,fcc 结构的点阵常数为a f ,由bcc 结构转变 为fcc 结构时体积减少1.06%,因bcc 单胞含2个原子,fcc 单胞含4个原子,所以2个bcc 单胞转变为1个fcc 单胞。则 10006.122333=-b b f a a a 即 b b f a a a 264.110006.10121=??? ???= bcc 结构的原子半径b b a r 43=,fcc 结构的原子半径f f a r 4 2=,把上面计算的a f 和a b 的关系代入,并以r f 表示r b ,则 f f f b b r r a a r 9689.02264.1443264.14343=???=?== 它们的相对变化为 0311.019689.0-=-=-b f b r r r 如果假定转变前后原子半径不变,转变后的体积变化为 ()()()1.8342342242233 3333-=-=-b b f b b f r r r a a a % 从上面的计算结果可以看出,如果转变前后的原子半径不变,则转变后的体积变化很大,和实际测得的结果不符,也和金属键的性质不符。所以,同一种金属,不同结构的原子半径改变,尽量使其体积变化最小。 3、根据Fe-C 相图 ①计算)(C w 为0.1%以及1.2%的铁碳合金在室温时平衡状态下相的相对量,计算共析体(珠光体)的相对量。 ②计算)(C w 为 3.4%的铁碳合金在室温时平衡状态下相的相对量,计算刚凝固完毕时初生γ相(奥氏体)和共晶体的相对量。计算

复合材料结构

复合材料结构设计的特点 (1) 复合材料既是一种材料又是一种结构 (2) 复合材料具有可设计性 (3) 复合材料结构设计包含材料设计 复合材料区别于传统材料的根本特点之一可设计性好(设计人员可根据所需制品对力学及其它性能的要求,对结构设计的同时对材料本身进行设计) 具体体现在两个方面1力学设计——给制品一定的强度和刚度、2功能设计——给制品除力学性能外的其他性能 复合材料力学性能的特点 (1) 各向异性性能材料弹性主方向:模量较大的一个主方向称为纵向,用字母L表示,与其垂直的另一主方向称为横向,用字母T表示。通常的各向同性材料中,表达材料弹 )和ν(泊松比)或剪切弹性模量G。 对于复合材料中的每个单层,纵向弹性模量E L、横向弹性模量E T、纵向泊松比νL (或横向泊松比νT)、面内剪切弹性模量G LT。 耦合现象:拉剪耦合与剪拉耦合、弯扭耦合与扭弯耦合 (2) 非均质性 耦合变形:层合结构复合材料在一种外力作用下,除了引起本身的基本变形外,还可能引起其他基本变形。 (3)层间强度低 在结构设计时,应尽量减小层间应力,或采取某些构造措施,以避免层间分层破坏。 研究复合材料的刚度和强度时,基本假设: (1) 假设层合板是连续的。由于连续性假设,使数学分析中的一些连续性概念、极限概念以及微积分等数学工具都能应用于力学分析中。 (2)假设单向层合板是均匀的,多向层合板是分段均匀的。 (3) 假设限于单向层合板是正交各向异性的:即认为单向层合板具有两个相互垂直的弹性对称面。 (4) 假设限于层合板是线弹性的:即认为层合板在外力作用下产生的变形与外力成正比关系,且当外力移去后,层合板能够完全恢复其原来形状。 (5) 假设层合板的变形是很小的。 上述五个基本假设,只有多向层合板的分段均匀性假设和单向层合板的正交各向异性假设,与材料力学中的均匀性假设和各向同性假设有区别。 平面应力状态与平面应变状态 平面应力状态:单元体有一对平面上的应力等于0。(σz=0,τzx=0,τzy =0) 平面应变状态(平面位移):εz=0(即ω=0),τzx=0(γ31=0),τzy =0(γ32=0 ), σz一般不等于0。 复合材料连接方式 复合材料连接方式主要分为两大类:胶接连接与机械连接。胶接连接:受力不大的薄壁结构,尤其是复合材料结构;机械连接:连接构件较厚、受力大的结构。

树脂基复合材料的力学性能

树脂基复合材料的力学性能 力学性能是材料最重要的性能。树脂基复合材料具有比强度高、比模量大、抗疲劳性能好等优点,用于承力结构的树脂基复合材料利用的是它的这种优良的力学性能,而利用各种物理、化学和生物功能的功能复合材料,在制造和使用过程中,也必须考虑其力学性能,以保证产品的质量和使用寿命。 1、树脂基复合材料的刚度 树脂基复合材料的刚度特性由组分材料的性质、增强材料的取向和所占的体积分数决定。树脂基复合材料的力学研究表明,对于宏观均匀的树脂基复合材料,弹性特性复合是一种混合效应,表现为各种形式的混合律,它是组分材料刚性在某种意义上的平均,界面缺陷对它作用不是明显。 由于制造工艺、随机因素的影响,在实际复合材料中不可避免地存在各种不均匀性和不连续性,残余应力、空隙、裂纹、界面结合不完善等都会影响到材料的弹性性能。此外,纤维(粒子)的外形、规整性、分布均匀性也会影响材料的弹性性能。但总体而言,树脂基复合材料的刚度是相材料稳定的宏观反映。 对于树脂基复合材料的层合结构,基于单层的不同材质和性能及铺层的方向可出现耦合变形,使得刚度分析变得复杂。另一方面,也可以通过对单层的弹性常数(包括弹性模量和泊松比)进行设计,进而选择铺层方向、层数及顺序对层合结构的刚度进行设计,以适应不同场合的应用要求。 2、树脂基复合材料的强度 材料的强度首先和破坏联系在一起。树脂基复合材料的破坏是一个动态的过程,且破坏模式复杂。各组分性能对破坏的作用机理、各种缺陷对强度的影响,均有街于具体深入研究。 树脂基复合材强度的复合是一种协同效应,从组分材料的性能和树脂基复合材料本身的细观结构导出其强度性质。对于最简单的情形,即单向树脂基复合材料的强度和破坏的细观力学研究,还不够成熟。 单向树脂基复合材料的轴向拉、压强度不等,轴向压缩问题比拉伸问题复杂。其破坏机理也与拉伸不同,它伴随有纤维在基体中的局部屈曲。实验得知:单向树脂基复合材料在轴向压缩下,碳纤维是剪切破坏的;凯芙拉(Kevlar)纤维的破坏模式是扭结;玻璃纤维一般是弯曲破坏。 单向树脂基复合材料的横向拉伸强度和压缩强度也不同。实验表

《复合材料结构设计基础》课程介绍

《复合材料结构设计基础》课程介绍 一、课程简介 《复合材料结构设计基础》是复合材料与工程专业的承前启后的专业方向课,它包含材料力学基础、弹性力学基础、材料设计、结构设计等,因而是具有立体性质的一个科学领域。其主要任务是使学生掌握复合材料结构设计的基础理论、基本知识和基本技能。通过本科程学习,要求学生掌握复合材料经典层合板理论、刚度和强度的计算方法、复合材料结构元件的分析和典型产品结构设计的基本步骤和方法等内容,为后续专业课的学习以及从事复合材料领域的生产和科研奠定坚实的理论基础;学习科学思维方法和研究问题的方法,达到开阔思路、激发探索和创新精神、增强理论分析能力与实践能力的目的。 课程的主要教学内容包括: 第一章绪论 学习了解什么是复合材料特别是什么是纤维增强树脂基复合材料;了解复合材料的发展历史及现状;了解复合材料的结构设计的特点。 第二章单层的刚度与强度 掌握平面应力状态下单轴的正轴应力-应变关系等。掌握单层的偏轴应力-应变关系;掌握单层弹性模量、柔量及工程弹性常数的计算。掌握单层的弹性指标和单层的失效准则。 第三章层合板的刚度与强度 掌握层合板的表示法、掌握对称层合板面内内力与面内应力的关系。掌握几种典型对称层合板的面内刚度系数的计算。了解对称层合板弯曲矩与曲率的关系、掌握对称层合板弯曲工程弹性常数及弯曲刚度系数的计算。了解一般层合板的面内力与面内应变的关系、了解一般层合板工程弹性常数、刚度系数的计算。掌握如何依据单层的强度来预测层合板的最先一层失效强度。 第四章复合材料结构分析 了解在复材构件进行结构分析时所采用的弹性力学的基本方法。了解复材层合梁、薄壁梁等构件的分析方法及设计计算的基本公式。 第五章复合材料连接 了解复材连接方式、掌握胶接连接接头的内力与应力分析计算方法、了解胶

复合材料结构设计基础(试卷B格式)

西安航空职业技术学院2011 ~ 2012 学年度 第 2 学期课程考试 试题纸(第 1 页 共 2 页) 安航空职业技术学院 课程考试试题(卷)纸 4分,共20分) 1 性对称面 2 特殊正交各向异性层压板 3 屈曲 4 设计许用值 5 层压板。 1分,共20分) 夹芯板通常由三部分组成, 、 和 ,两侧部分的材料也称为面板。 在小变形的情况下,板主要以弯曲变形承受外载荷,相对应,壳体则主要由 承受外载荷。由于壳体的承力特点,可以使壳体的构件设计得 而且 ,因而这种结构形式在航空、航天、高速交通车辆、风力发电的叶片以及其他工业部门中得到广泛的应用。 由蒙皮/筋条和肋、梁共同构成的受力盒段,蒙皮主要承受 ,弯矩引起的轴向载荷由筋条、梁缘条和蒙皮组成的壁板承受,因此筋条与梁以 铺层为主。梁腹板以±45o铺层为主要承受 。 由于复合材料的研制特点以及低成本制造技术的需要,复合材料结构比 金属结构更强调从研制开始,就要求在 中,包括设计、分析、材料、工艺制造、维护和用户在内的各阶段的专家、参与者协同工作,尽量利用 ,实施复合材料结构 一体化。 5. 合理确定设计许用值的通用原则,应该考虑 以及应变可能带来的损伤,既能够满足设计的基本要求,又可以避免 过大,结构沉重而降低结构的效率,加重各项负担。 6. 层压板的设计中,各种铺设方向铺层的层数应通过计算或计算图表确定。一般先求出 ,再根据所需总层数求得各种铺设角层组的 。 7. 考虑连接部位的破坏时,任何部件的连接部位都是 的敏感部位,复合材料也不例外,无论是目前普遍使用的机械连接方式,还是源自复合材料制造工艺的二次固化或 ,全部是 。 三、选择题(每题2分,共20分。) 1. 在广义胡克定律表达式[][][]j ij i C εσ=(ij=1,2,……,6)中,将 [] C ij 表示的矩阵称谓( )。 a 、可逆矩阵 b 、刚性矩阵 c 、对称矩阵 d 、柔性矩阵 2. 具有一个弹性对称面的情况下,在材料性能的刚性矩阵中,所表示材料的独立弹性常数有( )个。 a 、 13 b 、 2 c 、 5 d 、 9

界面力学报告

摘要: 通过对复合材料界面力学问题基础知识以及基本概念的认识和理解;总结聚合物/金属基复合材料界面的处理方法,并分析处理前后界面力学性能和导热性能的变化,并在此基础上分析是哪些原因导致这些复合材料界面力学性能和导热性能的改变,同时还对界面性能测定所要用到的实验设备以及测试手段进行了总结。 关键词:复合材料界面力学性能导热性能 一.基本概念的介绍: 1. 界面及界面相 界面是将不同的材料紧密的粘合起来所产生,并借此传递应力。把两种材料结合在一起的界面力可以是范德华力、化学键、机械互锁、静电吸引或以上力的协同作用。界面相具有一定的厚度,一般认为在几个分子层的厚度范围内。界面相虽然很薄,但是其结构是很复杂的。界面相从结构来分,这一界面相由5个亚层组成(如图1所示),每一亚层的性能均与基体和增强体的性质、偶联剂的品种和性质、复合材料的成型方法等密切相关界面结构主要指界相区的结构,也包含邻近界相区的基体和增强体的结构。而且,随环境条件的改变,复合体系中的界面区结构可以发生变化。如温度的改变,可以改变两组分间的相互作用,从而导致界面层厚度、化学结构和界面效应(如应力传递)等的改变。通常复合材料界面除了在性能和结构上不同于相邻两组分外,还具有以下特点:(1)具有一定厚度;(2)性能在厚度方向上有一定的梯度变化;(3)随环境条件变化而改变。 图1增强体与基体界面区示意图 2. 界面粘合理论主要有化学键理论、浸润理论、变形层理论和抑制层理论。 2.1 化学键理论认为两种材料在接触时,如二者表面的官能团能发生化学反应,就会生成化学键结合而形成具有一定结合强度的界面,从而有效防止裂纹扩展,抵抗应力破坏。2.2 浸润理论认为,两种材料可以依靠机械互锁粘合在一起,即一种材料在固化中浸入到另一材料的空隙和凹凸处形成机械锚定,从而形成有效界面结合。但是,如果两种材料的热膨胀系数相差较大,当二者粘合连接后,会在界面上产生使其发生破坏的附加应力,在外载荷作用下还会在界面上出现应力集中现象,从而导致界面成为复合材料的薄弱环节。 2.3 变形层理论认为,通过使用处理剂在两种材料的界面上形成一层热膨胀系数与二者都能较好匹配的塑性层,就能够松弛界面上的附加应力,减少界面应力集中现象。 2.4 抑制层理论则认为,处理剂应是介于高模量和低模量材料之间的中模量物质,它作为界面相的一部分,能够均匀传递应力并减小应力集中现象。

复合材料结构设计基础(试卷B格式)(可编辑修改word版)

i j ij 西安航空职业技术学院 2011 ~ 2012 学年度 第 2 学期课程考试 试题纸(第 1 页 共 2 页) 西安航空职业技术学院 课程考试试题(卷)纸 (考生应将全部答题都写在答题纸上,否则做无效处理。) 一、名词解释(每小题 4 分,共 20 分) 1 性对称面 2 特殊正交各向异性层压板 3 屈曲 4 设计许用值 5 层压板。 二、填空(每空 1 分,共 20 分) 1. 夹芯板通常由三部分组成, 、 和 ,两侧 部分的材料也称为面板。 2. 在小变形的情况下,板主要以弯曲变形承受外载荷,相对应,壳体则主要由 承受外载荷。由于壳体的承力特点,可以使壳体的构件设计得 而且 ,因而这种结构形式在航空、航天、高速 交通车辆、风力发电的叶片以及其他工业部门中得到广泛的应用。 3. 由蒙皮/筋条和肋、梁共同构成的受力盒段,蒙皮主要承受 ,弯 金属结构更强调从研制开始,就要求在 中,包括设计、分析、 材料、工艺制造、维护和用户在内的各阶段的专家、参与者协同工作, 尽量利用 ,实施复合材料结构 一体化。 5. 合理确定设计许用值的通用原则,应该考虑 以及应变可能带来的损伤,既能够满足设计的基本要求,又可以避免 过大, 结构沉重而降低结构的效率,加重各项负担。 6. 层压板的设计中,各种铺设方向铺层的层数应通过计算或计算图表确定。一般先求出 ,再根据所需总层数求得各种铺设角层组 的 。 7. 考虑连接部位的破坏时,任何部件的连接部位都是 的敏感部 位,复合材料也不例外,无论是目前普遍使用的机械连接方式,还是源自复合材料制造工艺的二次固化或 ,全部是 。 三、选择题(每题 2 分,共 20 分。) 1. 在广义胡克定律表达式[] = [C ] [](ij=1,2,……,6)中,将 ] 表示的矩阵称谓( )。 矩引起的轴向载荷由筋条、梁缘条和蒙皮组成的壁板承受,因此筋条与梁以 铺层为主。梁腹板以±45o铺层为主要承受 。 4. 由于复合材料的研制特点以及低成本制造技术的需要,复合材料结构比 a 、可逆矩阵 b 、刚性矩阵 c 、对称矩阵 d 、柔性矩阵 2. 具有一个弹性对称面的情况下,在材料性能的刚性矩阵中,所表示材料的独立弹性常数有( )个。 a 、 13 b 、 2 c 、 5 d 、 9 * 学 号 部: * * * * * * * * * * 姓 名: * * * * * * * * * * * * * * ** 系 * * * 专业年级: * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * [C ij 课程名称 复合材料结构设计基础 ( B 卷 ) 考试方式 闭 卷 考试类型 考 试 所属系部 航空材料工程系 印刷份数 适用班级 108011 和 108012 附答题纸 2 页

(完整版)复合材料结构设计基础考点

第一章 绪论 1. 复合材料的定义:两种或两种以上具有不同的化学或物理性质的组分材料组成的一种与 组分材料性质不同的新材料。 2. 比强度:强度与密度之比 比模量:模量与密度比 3. 层间强度低:纤维增强复合材料的层间剪切强度和层间拉伸强度分别低于基体的剪切强 度和拉伸强度,这是由于界面的作用所致。因此在层间应力作用下很容易引起层合板分层破坏,从而导致复合材料结构的破坏,这是影响复合材料在某些结构物使用的重要因素。 4. 纤维增强复合材料是由两种基本原材料------基体和纤维组成的,构成复合材料的基体单 元是单层板。 第二章 单层的刚度与强度 5. 对于各向同性材料,表达其刚度性能的参数是工程弹性常数E 、G 、v ,他们三者之间的 关系 G=E/(2(1+v)) 所以独立的弹性常数只有2个。而对于呈正交各向异性的单层,常数将增加到5个,独立的有4个。 6. 单层正轴的应变---应力关系式 ??????????????????? ?--=??????????321321/1000/1/0//1σσσεεεLT T L L T T L G E E v E v E 也可用柔量分量表示应变 应力的关系式 ?? ??????????????????=??????????122166222112113210000τσσεεεS S S S S 但必须写出S ij 7.例题:已知铝的工程弹性常数E=69Gpa ,G=26.54Gpa ,v=0.3,试求铝的柔量分量和模量分量。由于铝是各项同性材料,所以EL=ET=69Gpa Glt=G=26.54GPa vL=vT=v=0.3. (1)柔量分量 S11=S22=1/E=14.49/(TPa ) S12=-v/E=-4.348/(TPa) S66=1/G=37.68/TPa (2)模量分量 m=(1-vLvT)1-=(1-v 2)1 - Q11=Q22=mE=75.82GPa Q12=mvE=22.75 Q66=G=26.54GPa 8.单轴的偏轴应力应变关系公式。偏轴的应变应力关系公式。:课本p16 2-27 2-30 9.单层的失效准则:单层的失效准则的以判别单层在偏轴向应力作用或平面应力状态下是否失效的准则。 10. 最大应力失效准则:S Y X 12t 2t 1===τσσ 表明单层正轴向的任何一个应力分量到达极限应力 时,单层就失效。

复合材料结构设计的专用软件ESAComp

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。

复合材料力学沈观林编着清华大学出版社

《复合材料力学》沈观林编著清华大学出版社 第一章复合材料概论 1.1复合材料及其种类 1、复合材料是由两种或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。 2、复合材料从应用的性质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。 3、结构复合材料由基体材料和增强材料两种组分组成。其中增强材料在复合材料中起主要作用,提供刚度和强度,基本控制其性能。基体材料起配合作用,支持和固定纤维材料,传递纤维间的载荷,保护纤维。 根据复合材料中增强材料的几何形状,复合材料可分为三大类:颗粒复合材料、纤维增强复合材料(fiber-reinforced composite)、层和复合材料。 (1)颗粒:非金属颗粒在非金属基体中的复合材料如混凝土;金属颗粒在非金属基体如固体火箭推进剂;非金属在金属集体中如金属陶瓷。 (2)层合(至少两层材料复合而成):双金属片;涂覆金属;夹层玻璃。 (3)纤维增强:按纤维种类分为玻璃纤维(玻璃钢)、硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。 按基体材料分为各种树脂基体、金属基体、陶瓷基体、和碳基体。 按纤维形状、尺寸可分为连续纤维、短纤维、纤维布增强复合材料。 还有两种或更多纤维增强一种基体的复合材料。如玻璃纤维和碳纤维增强树脂称为混杂纤维复合材料。 5、常用纤维(性能表见P7表1-1) 玻璃纤维(高强度、高延伸率、低弹性模量、耐高温) 硼纤维(早期用于飞行器,价高) 碳纤维(主要以聚丙烯腈PAN纤维或沥青为原料,经加热氧化,碳化、石墨化处理而成;可分为高强度、高模量、极高模量,后两种成为石墨纤维(经石墨化2500~3000°C);密度比玻璃纤维小、弹性模

第十五章-复合材料的界面及界面优化设计

复合材料
第三部分 复合材料的增强材料
第十五章 复合材料的界面及界面优化设计
教学目的:通过本章的学习,掌握复合材料的界面及 作用,聚合物基复合材料的界面及改性方法,几种聚 合物基复合材料的形成和改善界面的途径,界面表征 的方式。 重点内容: 1、复合材料的界面及界面改性方法。 2、复合材料改善界面的途径。 难点:复合材料界面与性能的关系。 熟悉内容:复合材料界面的研究内容及方法。
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主要英文词汇:
Composite material---复合材料 Composite interface---复合材料界面 Residual stress of composite interface---复合材料界面 残余应力 Reaction of composite interface---复合材料界面反应 Modification of composite interface---复合材料的界 面改性 Mechanics of composite interface---复合材料界面力学
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Bonding strength of composite interface---复合材料界面 黏结强度 Optimum design of composite interface---复合材料界面 优化设计 Compatibility of composite interface---复合材料界面相 容性 Mechanics of composite---复合材料力学 Micromechanics of composite---复合材料细观力学
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参考教材或资料:
1、复合材料学----周祖福 (武汉理工大学出版社,2004年) 2、现代复合材料----陈华辉 邓海金 李 明 (中国物质出版社,1998) 3、复合材料概论----王荣国 武卫莉 (哈尔滨工业大学出版社,1999) 4、复合材料--------吴人洁(天津大学出版社,2000) 5、复合材料科学与工程---倪礼忠,陈麒(科学出版社,2002) 6、复合材料及其应用—尹洪峰,任耘(陕西科学技术出版社,2003) 7、高性能复合材料学---郝元恺,肖加余 (化学工业出版社,2004) 8、新材料概论--- 谭毅, 李敬锋(冶金工业出版社,2004) 9、先进复合材料----鲁 云 朱世杰 马鸣图 (机械工业已出版社,2004) 10、复合材料--------周曦亚(化学工业出版社,2005)
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15、复合材料的界面及界面优化设计
21世纪对材料要求多样化,复合材料开发有很大发 展,复合材料整体性能的优劣与界面结构和性能关系密 切。
15.1复合材料的界面概念
复合材料的界面是指基体与增强相之间化学成分有显 著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区 域。 复合材料的界面是一个多层结构的过渡区域,约几个 纳米到几个微米。大量事实证明,复合材料的界面 复合材料的界面实质上 界面相 是纳米级以上厚度的界面层(Interlayer)或称界面相 (Interphase)。
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复合材料力学答案

复合材料力学答案 【篇一:材料力学】 教程第二版 pdf格式下载单辉祖主编本书是单辉祖主编《材料力学 教程》的第2版。是根据高等工业院校《材料力学教学基本要求》 修订而成。可作为一般高等工业院校中、少学时类材料力学课程的 教材,也可作为多学时类材料力学课程基本部分的教材,还可供有 关工程技术人员参考。 内容简介回到顶部↑本教村是普通高等教育“十五”国家级规划教材。. 本教材仍保持第一版模块式的特点,由《材料力学(Ⅰ)》与《材料力 学(Ⅱ)》两部分组成。《材料力学(Ⅰ)》包括材料力学的基本部分, 涉及杆件变形的基本形式与组合形式,涵盖强度、刚度与稳定性问题。《材料力学(Ⅱ)》包括材料力学的加深与扩展部分。 本书为《材料力学(Ⅱ)》,包括非对称弯曲与特殊梁能量法(二)、能 量法 (二)、静不定问题分析、杆与杆系分析的计算机方法、应力分析的实验方法、疲劳与断裂以及考虑材料塑性的强度计算等八章。各章均 附有复匀题与习题,个别章还安排了利用计算机解题的作业。.. 与第一版相同,本教材具有论述严谨、文字精炼、重视基础与应用、重视学生能力培养、专业面宽与教学适用性强等特点,而且,在选 材与论述上,特别注意与近代力学的发展相适应。 本教材可作为高等学校工科本科多学时类材料力学课程教材,也可 供高职高专、成人高校师生以及工程技术人员参考。 以本教材为主教材的相关教学资源,尚有《材料力学课堂教学多媒 体 课件与教学参考》、《材料力学学习指导书》、《材料力学网上作 业与查询系统》与《材料力学网络课程》等。... 作译者回到顶部↑本书提供作译者介绍 单辉祖,北京航空航天大学教。1953年毕业于华东航空学院飞机结 构专业,1954年在北京航空学院飞机结构专业研究生班学习。1992—1993年,在美国特拉华大学复合材料中心.从事合作研究。.历任教育部工科力学教材编审委员、国家教委工科力学课程指导委 员会委员、中国力学学会教育工作委员会副主任委员、北京航空航 天大学校务委员会委员、校学科评审组成员与校教学指导委员会委 员等。..

复合材料的复合原则及界面

复合材料的复合原则及界面 第一节复合原则 要想制备一种好的复合材料,首先应根据所要求的性能进行设计,这样才能成功地制备出性能理想的复合材料。 复合材料的设计应遵循的原则如下: 一、材料组元的选择 挑选最合适的材料组元尤为重要。 在选择材料组元时,首先应明确各组元在使用中所应承担的功能,也就是说,必须明确对材料性能的要求。 对材料组元进行复合,即要求复合后材料达到如下性能,如高强度、高刚度、高耐蚀、耐磨、耐热或其它的导电、传热等性能或者某些综合性能如既高强又耐蚀、耐热。 因此,必须根据复合材料所需的性能来选择组成复合材料的基体材料和增强材料。 例如,若所设计的复合材料是用作结构件,则复合的目的就是要使复合后材料具有最佳的强度、刚度和韧性等. 因此,设计结构件复合材料时,首先必须明确其中一种组元主要起承受载荷的作用,它必须具有高强度和高模量。这种组元就是所要选择的增强材料; 而其它组元应起传递载荷及协同的作用,而且要把增强材料粘结在一起,这类组元就是要选的基体材料。 其次,除考虑性能要求外,还应考虑组成复合材料的各组元之间的相容性,这包括物理、化学、力学等性能的相容,使材料各组元彼此和谐地共同发挥作用。 在任何使用环境中,复合材料的各组元之间的伸长、弯曲、应变等都应相互或彼此协调一致。 第三,要考虑复合材料各组元之间的浸润性,使增强材料与基体之间达到比较理想的具有一定结合强度的界面。 适当的界面结合强度不仅有利于提高材料的整体强度,更重要的是便于将基体所承受的载荷通过界面传递给增强材料,以充分发挥其增强作用。 若结合强度太低,界面很难传递载荷,不能起潜在材料的作用,影响复合材料的整体强度; 但结合强度太高也不利,它遏制复合材料断裂对能量的吸收,易发生脆性断裂。 除此之外,还应联系到整个复合材料的结构来考虑。 具体到颗粒和纤维增强复合材料来说,增强效果与颗粒或纤维的体积含量、直径、分布间距及分布状态有关。 颗粒和纤维增强复合材料的设计原则如下: 1. 颗粒增强复合材料的原则 (1)颗粒应高度弥散均匀地分散在基体中,使其阻碍导致塑性变形的位错运动(金属、陶瓷基体)或分子链的运动(聚合物基体)。 (2)颗粒直径的大小要合适。 因为颗粒直径过大,会引起应力集中或本身破碎,从而导致材料强度降低; 颗粒直径太小,则起不到大的强化作用。因此,一般粒径为几微米到几十微米。 (3)颗粒的数量一般大于20%。数量太少,达不到最佳的强化效果。 (4)颗粒与基体之间应有一定的粘结作用。 2.纤维增强复合材料的原则 (1)纤维的强度和模量都要高于基体,即纤维应具有高模量和高强度,因为除个别情况外,在多数情况下承载主要是靠增强纤维。

聚合物基复合材料的界面及改性研究

FRP /C M 2005.No .3 收稿日期:2004210215 作者简介:朱雅红(19712),女,硕士研究生,主要从事高分子材料的合成及改性研究。 聚合物基复合材料的界面及改性研究 朱雅红,马晓燕,陈 娜 (西北工业大学理学院 应用化学系,西安 710072) 摘要:本文主要综述无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、晶须增强复合材料和原位复合材料的界面特性及其改性方法,论述其界面改性的研究进展,指出目前研究工作中存在的不足及发展方向。 关键词:界面;聚合物;复合材料;改性 中图分类号:T B332 文献标识码:A 文章编号:1003-0999(2005)03-0044-05 界面的好坏是直接影响复合材料性能的关键因素之一。当复合材料受到外力作用时,除增强材料和基体受力外,界面亦起着极其重要的作用。复合材料的强度、刚性及韧性是代表其物理机械性能的重要指标,对复合材料进行界面改性使两相界面具有合适的粘附力,形成一个相互作用匹配且能顺利传递应力的中间模量层,以提高聚合物基复合材料的力学性能一直是高分子材料科学的重要研究领域。偶联剂用于改善复合材料的界面,聚合物界面改性的目的也从单纯的增韧向增强增韧以及功能化方向发展。本文针对无机刚性粒子增强复合材料、无机纳米粒子增强复合材料、纤维增强复合材料、晶须增强复合材料和原位复合材料论述各种界面的特性及其改性方法。 1 无机刚性粒子增强复合材料及其界面 无机刚性粒子增强聚合物是近年来研究的热点。它克服了以往用弹性体、热塑性树脂增韧聚合物时在韧性提高的同时刚性下降的缺点。常用的无机刚性粒子有CaCO 3、Si C 、BaS O 4、滑石、硅石灰、蒙脱土以及煤灰等。 欧玉春等提出刚性粒子增强、增韧聚合物的界面结构模型,即在均匀分散的刚性粒子周围嵌入具有良好界面结合和一定厚度的柔性界面相,以便在材料经受破坏时既能引发银纹,终止裂缝的扩展。在一定形态结构下它还可引发基体剪切屈服,从而消耗大量冲击能,又能较好地传递所承受的外应力,达到既增强又增韧的目的。在PP /CaCO 3复合体系中用酯酸类偶联剂在刚性粒子表面引入柔性或弹性界面层,降低了添加刚性粒子所引起的材料韧性下 降的程度;同时由于界面层的引入,使三相复合体系在较低的橡胶含量下具有较高的模量和冲击强度。欧玉春等报道了PP /三元乙丙橡胶(EP DM )/滑石粉三相复合体系。在无机填料表面形成的弹性界面相可使三相复合材料同时具有高韧性和高模量的特点。金士九等用乳液聚合的方法将具有不同交联程度和带环氧官能团的刚性粒子作为环氧树脂的增韧改性剂掺到环氧树脂中,研究其界面层结构对增韧的影响,发现刚性粒子与聚合物树脂基体之间发生不同程度的分子互穿,刚性粒子表面带环氧官能团后,与基体材料形成化学键合的界面层结构,从而改善材料的力学性能。 刚性粒子的加入对聚合物基体的结晶行为产生影响,使晶粒尺寸变小,完善程度降低,甚至在界面附近形成择优取向的滑移阻力较小的结晶层,从而促进基体发生屈服变形,利于材料韧性的提高。欧玉春等 [1] 研究PP /高岭土(Kaolin )/GF 复合体系及 其界面结晶性。通过DSC 非等温结晶数据分析指出,加入Kao1in 粒子和GF 后发生异相成核作用,促使PP 球晶尺寸变小,使材料韧性提高。张云灿等研究HDPE /CaCO 3体系中用烷氧焦磷酸酯型钛酸酯类和端口恶唑啉聚醚复合处理CaCO 3时,复合偶联剂在CaC O 3表面形成包覆层,且通过化学键形成联接、缠 绕、网络CaC O 3周围的基体分子链,增强了界面相粘结,复合材料力学性能明显得到改善;同时发现Ca 2C O 3表面处理剂、处理方式和CaCO 3的颗粒大小亦影 响界面的粘结强度,进而影响材料的力学性能。 在无机刚性粒子增韧机理上,吴永刚等还建立了刚性粒子团2界面带模型,即在复合体系中存在刚性粒子团,刚性粒子团与周围环境之间存在着一个

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