结构力学本构模型：复合材料模型：复合材料在航空航天领域的应用.pdf

结构力学本构模型：复合材料模型：复合材料在航空航天

领域的应用

1绪论

1.1复合材料在航空航天工程中的重要性

复合材料，由两种或更多种不同性质的材料组合而成，其在航空航天工程

中的应用日益广泛，主要归因于其卓越的性能。与传统金属材料相比，复合材

料具有更高的比强度和比刚度，这意味着它们在重量更轻的情况下能够承受更

大的载荷。此外，复合材料还具有良好的耐腐蚀性、热稳定性和设计灵活性，

这些特性使得它们成为制造飞机、卫星和火箭的理想选择。

1.1.1案例分析：波音787梦想飞机

波音787梦想飞机是复合材料在航空航天领域应用的一个典型案例。该飞

机的机身和机翼主要由碳纤维增强塑料（CFRP）制成，这种材料的使用使得飞

机的燃油效率提高了20%，同时减少了维护成本和重量。波音787的复合材料

使用量达到了50%以上，这在商用飞机中是前所未有的。

1.2本构模型的基本概念

本构模型是描述材料在不同载荷下行为的数学模型，是结构力学分析的基

础。在复合材料中，本构模型尤为重要，因为复合材料的性能不仅取决于其组

成材料的性质，还取决于这些材料的排列方式和比例。复合材料的本构模型通

常需要考虑材料的各向异性，即材料在不同方向上的性能差异。

1.2.1本构模型的分类

1.线性弹性模型：适用于小应变和弹性范围内材料的行为描述。

2.非线性弹性模型：用于描述材料在大应变下的非线性弹性行为。

3.塑性模型：描述材料在塑性变形阶段的行为。

4.粘弹性模型：考虑材料的粘性和弹性特性，适用于时间依赖性的

材料行为分析。

5.损伤模型：用于预测材料在损伤累积过程中的性能退化。

1.2.2示例：线性弹性模型

线性弹性模型是最基本的本构模型之一，它假设材料的应力与应变成正比，

符合胡克定律。在复合材料中，这种模型可以简化为：

=

1

其中，应力，是应变，是弹性模量。然而，由于复合材料的各向异

性，实际的模型会更复杂，需要使用矩阵形式来表示：

112300011

222300022

333300033

=

30004003

30000503

20000062

这里，和分别表示应力和应变的分量，而是复合材料的弹性常数。

1.2.3结构力学分析中的应用

在结构力学分析中，本构模型用于预测复合材料结构在各种载荷条件下的

响应。例如，使用有限元分析（FEA）软件，工程师可以输入复合材料的本构模

型参数，然后模拟结构在飞行过程中的应力和应变分布，以确保结构的安全性

和可靠性。

以上内容仅为绪论部分的概述，后续章节将深入探讨复合材料的本构模型

在航空航天工程中的具体应用，包括模型的建立、参数的确定以及在实际工程

设计中的考虑因素。

2复合材料的分类与特性

2.1航空航天中常用的复合材料类型

在航空航天领域，复合材料因其轻质高强的特性而被广泛采用。这些材料

通常由两种或更多种不同性质的材料组合而成，以优化其性能。以下是一些在

航空航天中常用的复合材料类型：

1.碳纤维增强聚合物（CFRP）

o描述：碳纤维增强聚合物是由碳纤维和树脂基