复合材料力学与结构设计

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。

9.1 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

2011年秋季学期复合材料力学

课程小论文

《微纳米尺度复合材料界面强度的研究》

班级： 姓名： 评分： 微纳米尺度复合材料界面强度的研究

课题背景：

复合材料是一大类新型材料，其强度高、刚度大、质量轻，并具有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等一系列优点，近40年来，在航空航天、能源、交通、建筑、机械、信患，生物、医学和体育等工程和部门日益得到广泛的应用。

随着微纳米结构加工技术的发展，人类已经能够在微电子器件、微纳米机电系统中实现多种功能。这些期间与系统通常包含沉积于衬底上的部件，比如薄膜、细线或管状结构、岛状结构或点状结构等。它们的三维尺度非常小，其特征尺寸往往处于微米甚至纳米量级。这些器件的构成材料多样，比如陶瓷、金属间化合物、金属、聚合物等。在这些微纳米尺寸的结构中存在的双相材料界面，由于界面两侧材料物性不同导致的变形不匹配，往往会造成界面处应力集中。因此，界面是微纳米结构极易发生失效的位置之一。界面脱黏、剥离、分层破坏是这类材料的制作及其制成品的使用中的主要失效行为。这些界面失效经常会导致器件报废，直接影响其成品率和使用

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

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

建筑力学与结构设计原理试题

一、填空题(每空1分，共12分)

1.力矩等于_________与_________的乘积。

2.同一平面内的一个_________和一个力偶可以合成一个________________。 3.在螺栓杆剪切计算中假定剪应力在剪切面上_________分布。

4.刚结点连接的各杆之间无相对_________，故可承受和传递________。

5.砌体结构构件承受外荷载作用，设计时考虑的因素有两个，一是______，二是砌体强度。 6.浅基础计算的主要内容包括_________和_________。

7.通常把平行于短轴方向的框架称为_________框架，把平行于长轴方向的框架称为_________框架。

二、单项选择题(在每小题的四个备选答案中，选出一个正确答案，并将正确答案的序号填在

题干的括号内。每小题1分，共12分)

1.设计教室时，一般将楼面上的人和课桌椅看成( )。 A.永久荷载和均布荷载 B.可变荷载和均布荷载 C.永久荷载和集中荷载 D.可变荷载和集中荷载

2.物体受平面内三个互不平行的力作用而平衡，则三个力的作用线( )。 A.必交于一点

南京工业大学 复合材料原理

第三章 复合材料力学性能 的复合规律课件及作业下载： 邮箱：fuhecailiao2012@ 密码：20122012

南京工业大学 复合材料原理

简要回顾:

1、复合材料的复合效应 2、复合材料的结构与复合效果

3、模型与性能的一般规律

南京工业大学 复合材料原理

第3章 复合材料力学性能的复合规律基本要求:了 解：

复合材料物理和化学性能的复合规律 超细粒子对复合材料力学性能的影响重 点:

连续纤维增强复合材料的力学复合 短纤维增强复合材料的力学复合 粒子复合材料的力学性能 复合材料力学复合的其他问题难 点:

纤维增强复合材料的力学复合，复合材料物理和 化学性能的复合规律

南京工业大学 复合材料原理

第3章 复合材料力学性能的复合规律 研究层次：★ 宏观侧重于对材料实际物理化学等性能的测试研究 ★ 微 观根据材料微观结构以及组成结构的各组份间的相互

作用对材料的“平均性能”进行预测，而非准确的设计数据

研究模型及方法： 细观力学结构模型一种理想的情况：增强体均匀、细弹性、各向同性、间隔相、排 列整齐等等；基体均匀、细弹性、各向同性等等。在处理的方法上则 采用“材料力学”方法和“弹性理论”

宏观模型结构模型材料中

第12卷第6期 过 程 工 程 学 报 V ol.12 No.6 2012年12月 The Chinese Journal of Process Engineering Dec. 2012

收稿日期：2012?10?30，修回日期：2012?11?21

作者简介：王向辉(1977?)，男，满族，河北省承德市人，博士，高级工程师，研究方向为炭基复合材料和气固两相流态化，Tel: 010-********, E-mail:

xhwang_cn@85f9cc50b9f3f90f77c61b7b.

热解炭微观结构对炭/炭复合材料力学性能的影响

王向辉1

, 翁 力1

， 于守泉2

(1. 北京低碳清洁能源研究所，北京 100022；2. 中国科学院过程工程研究所，北京 100190)

摘 要：以PAN 基针刺纤维毡为基体，采用等温化学气相渗透技术，在温度1000℃、压力5.0~20.0 kPa 条件下制备了2种具有不

摘 要：本文主要介绍了该工程的结构设计与选型、设计思路、典型节点设计、维护系统设计及经济性分析，本室内运动场主要结构为平面拱形桁架。 关键词：平面拱形桁架；典型节点；金属维护 1.工程概况

长治清华厂室内运动场是一面积较小且包含有篮球场、羽毛球场、乒乓球场及健身器材等的一个综合性体育运动场所，结构形式为单层平面拱形桁架结构；总建筑面积约3090m2，室内建筑面积约2530 m2，平面建筑尺寸为长57.7m，宽52.9m，总高17.08m。本工程是在有所局限的地理位置上设计出有自己特色的建筑结构，其立面布置见图1所示。

本工程是由钢柱、钢桁架及柱间支撑、水平支撑组成的钢框架支撑体系，主体结构由H型钢钢柱、钢管平面桁架、支撑及系杆组成，墙面次结构为冷弯薄壁C型钢，屋面次结构为矩形型钢；维护结构采用现场复合保温板，即金属波纹外板+玻璃丝保温棉+金属波纹内板。

本工程用钢量统计，主结构总用钢量约140.4t，次结构用钢量约42.9t，基础锚栓用钢量约4t，结构总用钢量为187.3t，平均用钢量（含锚栓）为60.6Kg·m-2；本工程结构紧凑，造型美观，经济效益较好。该工程由山西省长治市航建建筑安装公司承

基于Ansys的颗粒增强复合材料力学行为分析

陈 晨

力学与工程学院，结构2010-01班，20104336

【摘要】本文中，将以T6热处理的SiCp/6061A1合金复合材料为研究对象，在细观分析模型的基础上，建立一定的体积代表性单元，将颗粒和基体作为两种材料建立模型，通过施加适当的边界条件，得出复合材料的应力场和应变场，然后进行体积平均，得到等效应力和等效应变，从而对该复合材料的单轴循环应变行为进行有限元分析。 【关键词】固体力学，复合材料力学，Ansys有限元分析

1. 问题描述

颗粒增强铝基复合材料由于其质量轻，刚性好和良好的耐高温性能以及低廉的生产成本和宏观各向同性性能，目前已广泛用于航空航天、机车车辆、运动器械和汽车工业中，例如自行车主架、飞机腹板、汽车传动轴、连杆以及活塞等。这些由复合材料制成的结构构件通常承受的是一种复杂的、非比例的循环交变载荷的作用。

本文主要分析单颗粒增强复合材料，利用Ansys软件将颗粒和基体作为两种材料建立模型，通过施加适当的边界条件得出复合材料的应力场和应变场，进行体积平均得到等效应力和等效应变，从而计算出复合材料的力学性能。

在有限元模型中，各尺寸满足R?4r/3VfΗ且H?2R。边界条件为对称边

复合材料

学号：13032120 姓名：陈孝山

随着航空航天科学技术的不断进步，促进了新材料的飞速发展，其中尤以先进复材料的发展最为突出。飞机用复合材料经过近40年的发展，已经从最初的非承力构发展到应用于次承力和主承力构件，可获得减轻质量20%～30%的显效果。目前进入成熟应用期，对提高飞机战术技术水平的贡献、可靠性、耐久性和维护性已无可疑，其设计、制造和使用经验已日趋丰富。迄今为止，战斗机使用的复合材料占所用1 料总量的30%左右，新一代战斗机将达到40%；直升机和小型飞机复合材料用量将到70%～80%左右，至出现全复合材料飞机。

日前，复合材料主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料，耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料，隐身复合材料，梯度功能复合材料等。航天航天制造材料要求质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀，这些苛刻的条件，只有借助新材料技术才能解决。复合材料具有质量轻、较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀性、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温、独特的耐烧蚀性、透电磁波、吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。 复合材料的分类

现代复合材料按基体