復合材料試題及答案1.單項選擇題（每題2分，共20分）1.1下列哪一項不是復合材料區(qū)別于傳統(tǒng)均質材料的本質特征？A.多相共存B.界面效應顯著C.密度一定低于基體D.性能可設計答案：C1.2對于連續(xù)纖維增強復合材料，縱向彈性模量E?最常用的細觀力學預測模型是：A.混合律B.HalpinTsai方程C.剪切滯后模型D.自洽模型答案：A1.3在層合板經(jīng)典層合理論（CLT）中，下列哪一項不屬于基本假設？A.各單層為正交各向異性線彈性B.層間位移連續(xù)C.層間正應力σ?=0D.層間剪應力τ??、τ??沿厚度線性分布答案：D1.4碳纖維/環(huán)氧單向預浸料在固化后測得纖維體積分數(shù)V_f=60%，若纖維密度ρ_f=1.8g/cm3，樹脂密度ρ_m=1.2g/cm3，則復合材料密度ρ_c為：A.1.44g/cm3B.1.56g/cm3C.1.68g/cm3D.1.80g/cm3答案：B1.5下列哪種試驗方法最適合直接測定單向復合材料橫向拉伸強度？A.0°拉伸B.90°拉伸C.±45°剪切D.短梁剪切答案：B1.6對于[0/90?/0]T層合板，在面內(nèi)拉伸載荷Nx作用下，首先出現(xiàn)基體開裂的鋪層是：A.0°B.90°C.45°D.同等概率答案：B1.7采用真空輔助樹脂灌注（VARI）工藝時，樹脂流動前沿形狀主要受哪一參數(shù)影響最大？A.纖維滲透率B.樹脂凝膠時間C.纖維表面能D.模具熱容答案：A1.8下列哪種界面增強劑最常用于提高玻璃纖維/環(huán)氧界面剪切強度？A.硅烷偶聯(lián)劑B.磷酸酯C.硬脂酸鋅D.石墨粉答案：A1.9在層間斷裂韌性測試中，若DCB試樣測得臨界載荷P_c=45N，初始裂紋長度a=35mm，梁寬b=20mm，厚度h=3mm，則按修正梁理論得到的G_IC（單位：J/m2）最接近：A.200B.350C.500D.650答案：B1.10下列哪一項缺陷對復合材料疲勞壽命影響最敏感？A.表面劃痕B.層間剝離C.纖維彎曲D.富脂區(qū)答案：B2.多項選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）2.1下列哪些因素會顯著降低纖維/基體界面剪切強度τ_d？A.纖維表面氧化過度B.基體吸濕C.界面存在孔隙D.纖維表面涂覆硅烷E.固化殘余熱應力答案：A、B、C、E2.2關于層合板濕熱膨脹，下列說法正確的是：A.吸濕膨脹系數(shù)β?與纖維方向無關B.溫度升高會導致基體膨脹系數(shù)α_m增大C.濕熱應變可疊加到機械應變D.濕熱膨脹會引起殘余應力E.吸濕后玻璃化轉變溫度T_g降低答案：B、C、D、E2.3下列哪些試驗標準適用于測定單向復合材料面內(nèi)剪切模量G??？A.ASTMD3518B.ASTMD5379C.ASTMD7078D.ASTMD3039E.ISO14129答案：A、B、C、E2.4在纖維纏繞壓力容器設計中，環(huán)向纏繞角α與螺旋纏繞角β滿足：A.α=90°B.β=arctan(r/l)C.環(huán)向層承擔環(huán)向應力D.螺旋層承擔軸向應力E.網(wǎng)格理論假設層間無剪切答案：A、C、D、E2.5下列哪些方法可用于層合板沖擊后壓縮強度（CAI）試驗后的損傷表征？A.超聲C掃描B.工業(yè)CTD.熱揭層D.酸蝕刻E.數(shù)字圖像相關（DIC）答案：A、B、C、E3.填空題（每空2分，共20分）3.1根據(jù)混合律，單向復合材料縱向彈性模量E?=________×E_f×V_f+________×E_m×V_m。答案：1；13.2在層合板面內(nèi)剛度矩陣[A]中，A??表示單位寬度下面內(nèi)________剛度。答案：拉伸3.3當層合板出現(xiàn)邊緣分層時，層間正應力σ?通常為________（拉/壓）應力。答案：拉3.4真空袋壓成型中，真空度一般要求不低于________kPa。答案：853.5碳纖維表面電化學氧化處理的目的是增加________基團含量，從而提高界面粘接。答案：含氧極性3.6在疲勞載荷下，復合材料基體裂紋密度達到飽和的現(xiàn)象稱為________飽和。答案：裂紋3.7層間剪切強度ILSS常用短梁剪切試驗測定，跨厚比規(guī)定為________。答案：43.8對于[±60]?S層合板，其面內(nèi)泊松比ν_xy理論值接近________。答案：0.553.9熱固性環(huán)氧固化反應屬于________級反應。答案：二3.10在RTM工藝充模模擬中，控制方程為________方程與連續(xù)性方程聯(lián)立。答案：Darcy4.簡答題（每題8分，共24分）4.1簡述界面相（interphase）對復合材料宏觀力學性能的三方面影響，并給出定量描述參數(shù)。答案：(1)載荷傳遞：界面剪切強度τ_d決定纖維應力傳遞效率，直接影響縱向拉伸強度σ?u；(2)裂紋偏轉：界面斷裂韌性G_ic低時，裂紋易沿界面擴展，提高韌性但降低強度；(3)殘余應力：界面相模量E_i與厚度t_i影響熱殘余應力大小，參數(shù)可用ΔαΔT×E_i×t_i定量估算。4.2寫出經(jīng)典層合理論中面內(nèi)應變{ε?}與曲率{κ}表示的中面應變場，并說明“中面”定義。答案：中面應變場：ε(z)=ε?+zκ；中面為層合板幾何中心面，z=0，位移連續(xù)且滿足Kirchhoff直法線假設。4.3列舉三種提高層間斷裂韌性G_IC的增韌方法，并比較其對層合板面內(nèi)剛度的影響。答案：(1)層間插膜：增韌顆?；驘崴苄阅?，G_IC提高100%，面內(nèi)剛度下降<5%；(2)納米纖維插層：電紡PA66納米纖維，G_IC提高50%，剛度幾乎不變；(3)基體增韌：添加橡膠或核殼粒子，G_IC提高80%，面內(nèi)剛度下降10–15%。5.計算題（共41分）5.1細觀力學計算（10分）已知碳纖維/環(huán)氧單向復合材料：E_f=230GPa，E_m=3.5GPa，V_f=60%，ν_f=0.2，ν_m=0.35。求：(1)縱向彈性模量E?；(2)橫向彈性模量E?（采用HalpinTsai，ξ=2）；(3)主泊松比ν??。答案：(1)E?=0.6×230+0.4×3.5=139.4GPa(2)η=(230/3.51)/(230/3.5+2)=0.970E?=3.5×(1+2×0.970×0.6)/(10.970×0.6)=12.8GPa(3)ν??=0.6×0.2+0.4×0.35=0.265.2層合板剛度矩陣計算（12分）某碳/環(huán)氧單層板工程常數(shù)：E?=140GPa，E?=10GPa，G??=5GPa，ν??=0.3。鋪層序列[0/45/?45/90]S，每層厚度0.125mm，總厚1.0mm。求：(1)單層折算剛度Q???；(2)層合板拉伸剛度A??；(3)耦合剛度B??。答案：(1)對于45°：m=cos45°=√2/2，n=sin45°=√2/2Q??=140.9GPa，Q??=10.1GPa，Q??=3.03GPa，Q??=5.0GPaQ???(45°)=m?Q??+n?Q??+2m2n2(Q??+2Q??)=44.9GPa同理Q???=44.9GPa，Q???=34.9GPa，Q???=36.4GPa(2)A??=ΣQ???(h_k)=2×(140.9+44.9+44.9+10.1)×0.125=61.0kN/mm(3)對稱鋪層，B??=05.3濕熱應變分析（9分）上述層合板在80℃、相對濕度95%下平衡吸濕0.8wt%。已知：α?=?0.1×10??/℃，α?=28×10??/℃，β?=0，β?=0.003（應變/wt%）。求：(1)單層自由濕熱應變ε?^H、ε?^H；(2)層合板中面濕熱應變ε?^0、ε?^0（假設完全約束）。答案：(1)ε?^H=α?ΔT+β?C=?0.1×10??×60+0=?6×10??ε?^H=28×10??×60+0.003×0.8=1680×10??+2400×10??=4080×10??(2)對稱鋪層，無曲率，ε?^0=ε?^0=0（外部約束），層內(nèi)產(chǎn)生自平衡應力5.4強度預測（10分）TsaiWu準則：F?σ?+F?σ?+F??σ?2+F??σ?2+F??τ??2+2F??σ?σ?=1已知：F?=0，F(xiàn)?=0.04MPa?1，F(xiàn)??=4×10??MPa?2，F(xiàn)??=120×10??MPa?2，F(xiàn)??=200×10??MPa?2，F(xiàn)??=?2×10??MPa?2。若σ?=800MPa，σ?=30MPa，τ??=60MPa，判斷是否失效；若未失效，求安全系數(shù)R。答案：代入：0+0.04×30+4×10??×8002+120×10??×302+200×10??×602?2×10??×800×30=1.2+2560+108+720?48=3341.2×10?3=3.341>1，已失效重算R：令σ=Rσ?，解得R=0.556.綜合應用題（30分）6.1某航空機翼蒙皮采用[0/±45/90]?S碳/環(huán)氧層合板，設計載荷Nx=2.5kN/mm，Ny=0.8kN/mm，Nxy=0.5kN/mm。材料參數(shù)同5.2。任務：(1)計算層合板面內(nèi)力resultant{N}對應的中面應變{ε?}；(2)找出應力最大的鋪層及應力分量；(3)采用Hashin準則判斷最先出現(xiàn)的失效模式；(4)提出兩項工藝改進以提高安全裕度，并定量估算改進后強度提升百分比。答案：(1)[A]=?61.018.20??18.261.00?kN/mm?0020.5?{A}?1=?18.5?5.50???5.518.50?×10?3mm/kN?0048.8?{ε?}=[A]?1{N}={3800,1100,2440}×10??(2)0°鋪層：σ?=140.9×3800+3.03×1100=538MPaσ?=3.03×3800+10.1×1100=12.7MPaτ??=090°鋪層：σ?=140.9×1100+3.03×3800=166MPaσ?=3.03×1100+10.1×3800=41.7MPa±45°鋪層：經(jīng)坐標轉換，σ?≈420MPa，τ??≈±65MPa最大縱向拉伸應力出現(xiàn)在0°鋪層，538MPa(3)Hashi