复合材料力学-3课件.ppt

引 言 考虑多组份材料的构成，组分之间的相互作用 用什么样的增强相、基体及复合工艺，获得的复合材料的性能如何？ 材料性能如何随材料组份含量变化而变化？ 微观力学:研究材料性能时,详细地研究组分材料的相互作用,并作为确定不均匀复合材料性能的一部分 宏观力学:假定材料是均匀的,组分材料的影响仅作为复合材料的平均“表观”性能来考虑 引 言 目的：用组分材料的弹性模量来确定复合材料的弹性模量，用组份材料的强度研究复合材料的强度 体积份数 纤维：Vf=纤维体积/复合材料总体积 基体：Vm =基体体积/复合材料总体积 引言 简单层板的性能 实验确定 由组分材料的性能用数学方法求得 微观力学方法来预测 材料力学方法 对力学系统的假设性能进行大量简化 弹性力学方法 极值原理 精确解 近似解 从设计的观点来看微观力学是宏观力学的助手 局限性 纤维和基体之间理想的粘接假设 需要详细的实验验证 引言 简单层板假设 宏观均匀 线弹性 宏观地正交各向异性 无初应力 纤维假设 均匀性 线弹性 各向同性 规则地排列 完全成一直线 粘结理论 界面的粘结由纤维和基体之间粘着力引起的 吸附和浸润 相互扩散 静电吸引 化学键结合 机械粘着 界面对宏观弹性常数的影响远不如对强度的影响，对E1和?12的影响，也不如对E2和G12的影响大 微观力学方法的基础——体积单元 体积单元：材料的最小范围或小块，分布于其上的应力和应变是宏观上均匀的，能够完全表征材料的所有特征 尺度是很重要的 引言 用实验方法系统测定各种复合材料的宏观弹性特性和微观力学性能的关系 涉及参数太多，费用巨大 复合材料性能不稳定和试验误差，使试验结果较为分散 单用试验手段很难获得全面的、系统的和由良好规律的结果，需要由理论配合 微观力学研究 改进复合材料宏观特性 减少试验工作量 反向推算复合材料中纤维和基体的平均特性 刚度的材料力学分析方法 刚度的材料力学分析方法 刚度的材料力学分析方法 刚度的材料力学分析方法 刚度的材料力学分析方法 刚度的材料力学分析方法 进一步工作 采用各种不同的模型，可以给出不同的弹性常数 欧克凡尔考虑了由于纤维约束引起在基体中的三向应力状态而得到了如下的混合率表达式 刚度的弹性力学分析方法 夏米斯和森德克把求刚度的微观力学方法分成许多类： 网络分析法，材料力学法 纤维提供所有纵向刚度，基体提供横向剪切刚度及泊松比 比较保守，但仍有人用，缠绕复合材料 独立模型法，用能量极值原理的变分法 精确解，统计法，离散单元法 半经验法和微观结构理论 刚度的弹性力学分析方法 弹性力学的极值法 Paul首次提出用弹性力学的极值法来讨论度多相材料弹性模量的上、下限 分析合金（均匀分布和没有优先方向） 复合材料是各向同性的 基体的性能用m表示，弥散相的性能用d表示 刚度的弹性力学分析方法 证明：表观弹性模量的下限 证明：表观弹性模量的下限 证明：表观弹性模量的上限 证明：表观弹性模量的上限 证明：表观弹性模量的上限 证明：表观弹性模量的上限 证明：表观弹性模量的上限 证明：表观弹性模量的上限 刚度的弹性力学分析方法 刚度的弹性力学分析方法 刚度的弹性力学分析方法 刚度的弹性力学分析方法 精确解 利用弹性力学知识，求出精确解是十分复杂而困难的，但可以用其结果来比较材料力学方法的正确性 多用圣维南半逆解法来解决 很大程度上取决于复合材料的几何形状和纤维、基体的特性 刚度的弹性力学分析方法 刚度的弹性力学分析方法 刚度的弹性力学分析方法 刚度的弹性力学分析方法 刚度的弹性力学分析方法 哈尔平-蔡方程（Halpin-Tsai） 近似表达比较复杂的微观力学结果的内插法 很简单容易设计 能概括虽说是有限的但是比较精确的微观力学结果 有可能将各种学派统一起来 确定?比较困难 强度的材料力学分析方法 强度的材料力学分析方法 对纤维增强复合材料强度的预报，还没有达到研究刚度预报那样的接近问题实质的水平 强度准则：宏观的强度预报，不是破坏模型， 微观强度分析：材料微观破坏的机理描述 材料的强度，与材料的局部性能和应力状态有关，与材料的整体性能和整体应力状态关系相对较小，材料的不均匀性影响较大 而刚度的情况相反 材料发生破坏，总是从最薄弱的环节开始，而后引起整个材料的破坏 强度的材料力学分析方法 考虑因素 组份材料在物理、化学、力学性能上的差别 界面的粘结情况 材料的本构关系不同，破坏规律也不同 纤维和基体的弹性、塑性、弹塑性、粘弹性等 体积分数 残余应力的大小，空隙和裂纹的大小和分布 纤维在基体中的分布合排列 载荷的历史和现状 很多描述纤维增强基体材料的强度特征的有益的模型 表示了对现象的实际观察和力学描述的高度结合 强度的材料力学分析方法 微观力学研究，是用纤维、基体和界面性能特点和有关几何描述来进行复合材料强