1、復合材料力學,一 復合材料的基本概念 1 復合材料定義 復合材料是由兩種或多種不同性質的材料用物理和化學方法在宏觀尺度上組成的具有新性能的材料。 從應用性質分為功能復合材料和結構復合材料。 2 復合材料的基本構造形式 （1）單層復合材料(又稱單層板) 纖維方向稱為縱向，用“1”表示 垂直于纖維方向稱為橫向，用“2”表示 單層材料厚度方向用“3”表示 1，2，3軸稱為材料主軸 單層材料一般是各向異性的。,單層板中纖維起增強和主要承載作用，基體起支撐纖維、保護纖維，并在纖維間起分配和傳遞載荷作用，通常把單層材料的應力一應變關系看作是線彈性的。,（2）疊層復合材料(又稱層合板) 層合板由多層單層板構

2、成，各層單層板的纖維方向一般不同。每層的纖維方向與疊層材料總坐標軸x-y方向不一定相同，我們用角(1軸與x軸夾角，由x軸逆時針方向到1軸的夾角為正)表示，如圖2所示。如四層單層材料組成的層合板：,其他層合板鋪層表不舉例如下： ,可表示為 ，這里s表示對稱，“”號表示兩層正負角交錯。 還可表示為 ，s表示鋪層上下對稱。,3復合材料的力學分析方法 （1）細觀力學 它以纖維和基體作為基本單元，把纖維和基體分別看成是各向同性的均勻材料(有的纖維屬橫觀各向同性材料)，根據材料纖維的幾何形狀和布置形式、纖維和基體的力學性能、纖維和基體之間的相互作用(有時應考慮纖維和基體之間界面的作用)等條件來分析復合材料

3、的宏觀物理力學性能。,（2）宏觀力學 它把單層復合材料看成均勻的各向異性材料，不考慮纖維和基體的具體區(qū)別，用其平均力學性能表示單層材料的剛度、強度特性，可以較容易地分析單層和疊層材料的各種力學性質，所得結果較符合實際。 宏觀力學的基礎是預知單層材料的宏觀力學性能，如彈性常數、強度等，這些數據來自實驗測定或細觀力學分析。由于實驗測定方法較簡便可靠，工程應用往往采用它。,（3）復合材料結構力學 它借助現有均勻各向同性材料結構力學的分析方法，對各種形狀的結構元件如板、殼等進行力學分析，其中有層合板和殼結構的彎曲、屈曲與振動問題以及疲勞、斷裂、損傷、開孔強度等問題。,4復合材料的優(yōu)點和缺點 復合材料的

4、優(yōu)點 (1)比強度高。 (2)比模量高。 (3)材料具有可設計性。 (4)制造工藝簡單，成本較低。 (5)某些復合材料熱穩(wěn)定好。 (6)高溫性能好。 此外，各種復合材料還具有各種不同的優(yōu)良性能，例如抗疲勞性、抗沖擊性、透電磁波性、減振阻尼性和耐腐蝕性等。 復合材料的缺點 (1)材料各向異性嚴重。 (2)材料性能分散度較大，質量控制和檢測比較困難。 (3)材料成本較高。 (4)有些復合材料韌性較差，機械連接較困難。 以上缺點除各向異性是固有的外，有些可以設法改進，提高性能，降低成本?？傊?，復合材料的優(yōu)點遠多于缺點，因此具有廣泛的使用領域和巨大的發(fā)展前景。,二、各向異性彈性力學基礎 1應力-應變關

5、系 各向異性彈性體的物理方程應力-應變關系 (2.1) 式中， 稱為剛度系數。,現采用1，2，3軸代替x，y，z軸，并把應力應變分量符號用簡寫符號表示 應力 應變 其中， 表示工程剪應變， 表示張量剪應變，這樣（2.1）變?yōu)?(2.2) 總起來可寫成 或,矩陣表達形式： (2.1) 定義,并注意 ，即剛度系數矩陣C有對稱性，只有21個剛度系數是獨立的， C可表示成,同樣，用應力分量來表示應變分量，應力-應變關系為 ， 用矩陣表示 (2.2) 其中， 為柔度系數，S為柔度矩陣。 是剛度矩陣的逆陣，也是對稱矩陣，可表示為 滿足（2.1）和（2.2）的應力-應變關系的材料為各向異性材料，應變勢能密度

6、表達式為,2 具有一個彈性對稱平面的材料 如果材料有一個性能對稱面（z=0，xoy面），剛度系數只剩下13個，剛度系數矩陣C為,3 正交各向異性材料 如果材料有三個正交的材料性能對稱平面，稱為正交各向異性材料。剛度系數只剩下9個，剛度系數矩陣C為 若坐標方向為彈性主方向時，正應力只引起線應變，剪應力只引起剪應變，兩者不耦合。,4 橫觀各向同性材料 若經過材料一軸線，在垂直該軸線的平面內，各點的彈性性能在各方向上都相同，則此材料稱為橫觀各向同性材料，此平面是各向同性面。剛度系數只剩下5個，剛度系數矩陣C為,5 各向同性材料 各向同性材料中每一點在任意方向上的彈性特性都相同，獨立的剛度系數只剩下2

7、個，剛度系數矩陣C為,6 正交各向異性材料工程彈性常數 除了前面表示材料彈性特性的剛度系數 和柔度系數 外，工程上常采用工程彈性常數來表示材料彈性特性。這些工程彈性常數是廣義的彈性模量 ，泊松比 和剪切模 量 ，這些常數可以用簡單的拉伸及純剪實驗來測定。通常實驗是在已知載荷下測量試件的位移或應變，這樣可直接確定柔度矩陣（ ）。對于正交各向異性材料，用工程彈性常數表示的柔度矩陣為 =,其中， 分別為材料在1，2，3方向上的彈性模量，其定義為只有一個主方向上有正應力作用時，正應力與該方向線應變的比值： 為單獨在j方向作用正應力 ，而無其它應力分量時，i方向應變與j方向應變之比的負值，稱為泊松比，即

8、 分別為2-3，3-1，1-2平面內的剪切模量。 對于正交各向異性材料，只有9個獨立的彈性常數，工程彈性常數間有以下三個關系 ，但 該式常用來檢驗實驗結果的可靠性或材料是否正交各向異性。,四 單層復合材料的宏觀力學分析 1 平面應力下單層復合材料的應力一應變關系 可近似認為 ， ，這就定義了平面應力狀態(tài)，對正交各向異性材料，平面應力狀態(tài)下應力應變關系為 其中，,(3.1),將式(3.1)寫成用應變表示應力的關系式： 其中是 二維剛度系數矩陣,由二維柔度矩陣S求逆得出 ， ， 這里用 而不用作為剛度系數矩陣，是因為在平面應力下兩者實際有差別，即 ，一般有所減少，因此 也稱為折減剛度矩陣。,2 單

9、層材料任意方向的應力一應變關系 （1）應力轉軸公式 用主方向坐標中應力分量表示x-y坐標中應力分量的轉換方程為 圖3-1所示為兩種坐標 之間的關系，表示 從x軸轉向1軸的角度， 以逆時針轉為正。,(3.2),將（3.2）寫成 用x-y坐標中應力分量來表示主方向坐標中應力分量如下： T稱為坐標轉換矩陣，T-1是此矩陣的逆陣，它們的展開式分別為,(3.3),（2）應變轉軸公式 平面應力狀態(tài)下單層板在x-y坐標中應變分量與主方向應變分量間關系為 反過來有,（3）任意方向上的應力一應變關系 在正交各向異性材料巾，平面應力狀態(tài)主方向有下列應力應變關系式 現應用式(3.3)和式(3.4)可得出偏軸向應力-

10、應變關系： 現用 表示 ，則在x-y坐標中應力應變關系可表示為,(3.4),其中， 矩陣 表示代表主方向的二維剛度矩陣Q的轉換矩陣，它有9個系數，一般都不為零，并有對稱性，有6個不同系數。它與Q大不相同，但是由于是正交各向異性單層材料，仍只有4個獨立的材料彈性常數。在x-y坐標中即使正交各向異性單層材料顯示出一般各向異性性質，剪應變和正應力之間以及剪應力和線應變之間存在耦合影響，但是它在材料主方向上具有正交各向異性特性，故稱為廣義正交各向異性單層材料，以與一般各向異性材料區(qū)別。,現再用應力表示應變，在材料主方向單層材料有下列關系式： 轉換到x-y坐標方向有 其中，,3 正交各向異性單層材料的強

11、度概念 單向纖維增強復合材料是正交各向異性材料。當外載荷沿材料主方向作用時稱為主方向載荷，其對應的應力稱為主方向應力。如果載荷作用方向與材料主方向不一致，則可通過坐標變換，將載荷作用方向的應力轉換為材料主方向的應力。 與各向同性材料相比，正交各向異性材料的強度在概念上有下列特點。 (1)對于各向同性材料，各強度理論中所指的最大應力和線應變是材料的主應力和主應變；但對于各向異性材料，由于最大作用應力并不一定對應材料的危險狀態(tài)，所以與材料方向無關的最大值主應力已無意義，而材料主方向的應力是重要的，由于各主方向強度不同，因此最大作用應力不一定是控制設計的應力。,(2)若材料在拉伸和壓縮時具有相同的強

12、度，則正交各向異性單層材料的基本強度有三個： X軸向或縱向強度(沿材料主方向1)； Y橫向強度(沿材料主方向2)； S剪切強度(沿12平面，見圖3-1)。 在確定單層材料強度時可不考慮主應力。 如果材料的拉伸和壓縮性能不相同(對于大多數纖維增強復合材料)，則基本強度有五個： Xt縱向拉伸強度； Xc縱向壓縮強度； Yt橫向拉伸強度； Yc橫向壓縮強度； S剪切強度。 它們分別由材料單向受力實驗測定。 圖3-1單層復合材料 的基本強度,(3)正交各向異性材料在材料主方向上的拉伸和壓縮強度一般是不同的，但在主方向上的剪切強度(不管剪應力是正還是負)都具有相同的最大值。圖3-3表明，在材料主方向上的

13、正剪應力和負剪應力的應力場是沒有區(qū)別的，兩者彼此鏡面對稱。但是在非材料主方向上剪應力最大值依賴于剪應力的方向(正負)，如圖3-4所示。 圖3-3 在材料主方向上 的剪應力,圖3-4 與材料主方向成450角的剪應力,4 正交各向異性單層材料的強度理論 大多數試驗測定的材料強度是建立在單向應力狀態(tài)基礎上的，但實際結構問題常涉及平面應力狀態(tài)或空間應力狀態(tài)。假設材料宏觀上是均勻的，不考慮某些細觀破壞機理 (1)最大應力理論 在這個理論中，各材料主方向應力必須小于各自方向的強度，否則即發(fā)生破壞。對于拉伸應力有 對于壓縮應力有 注意這里 指材料第1，2主方向的應力，而不是各向同性材料中的主應力。另外 與

14、的符號無關。如上述5個不等式中任一個不滿足，則材料分別以與 或 相聯系的破壞機理而破壞。該理論中，各種破壞模式之間沒有相互影響，即實際上是5個分別的不等式。,在應用最大應力理論時，所考慮材料中的應力必須轉換為材料主方向的應力。例如，考慮一個單層復合材料承受與纖維方向成角的單向載倚，如圖所示，最大單向應力 是下述三個不等式中的最小值： 圖中畫出了單層復合材料單向強度與偏軸角度的關系。拉伸實驗數據用表示，壓縮用表示， 各條曲線分別上表示式， 其中最低一條控制強度曲線， 強度曲線中的理論尖點在實驗中不存在， 該理論與實驗結果不很一致。,（2）最大應變理論 最大應變理論與最大應力理論很相似，這里受限制

15、的是應變，對于拉伸和壓縮強度不同的材料，如下不等式 中有任一個不滿足，即認為材料破壞。 式中， 分別是1方向最大拉伸、最大壓縮線應變； 分別是2方向最大拉伸、最大壓縮線應變； 是1 2平面內最大剪應變。 像剪切強度一樣，最大剪應變不受剪應力方向的影響，在應用此理論前必須將總坐標系中的應變轉換為材料主方向的應變。對于承受軸向單向拉伸的單層復合材料，最大應變理論得到的結果和實驗結果之間的差別比最大應力理論更加明顯，因此該理論也不大適用,（3） Hill-蔡(SWTsai)強度理論 Hill于1948年對各向異性材料提出了一個屈服準則： 式中， 為各向異性材料的破壞強度參 如以 以及 代人上式則得

16、其中， 為各向同性材料的屈服極限。,(3.5),由此可見，Hill提出的是Von Mises理出的各向同性材料屈服準則(Mises準則)，即歪形能理論的推廣，但在正交各向異性材料中，形狀變化和體積變化不能分開，所以式(3.5)不是歪形能。,蔡用單層復合材料通常用的破壞強度 來表示 。 如只有 作用，其最大值為 ，則有 若只有 作用，則有 得 如只有 作用則得 如用Z表示3方向的強度，且只有 作用， 則得 聯立上述三式，可解得 如下：,對于纖維在1方向的單層材料，在1-2平面內，平面應力情況為 。根據幾何特性，纖維在2方向和3方向的分布情況相同，可知 ，則 。由此式(3.5)化為 這是由單層復合

17、材料強度 表示的基本破壞準則，稱為Hill-蔡強度理論。 對于偏軸向受單向載荷的單層復合材料，把應力轉軸公式（只有 ）代入式(3.6)得 這是一個統(tǒng)一的強度理論公式，不同于最大應力和最大應變理論(由5個分公式表示)。,(3.6),將此理論結果和玻璃環(huán)氧復合材料實驗結果畫在圖中，兩者吻合較好，該理論可應用于玻璃環(huán)氧等復合材料。,Hill蔡強度理論有以下優(yōu)點： (1)隨方向角目的變化是光滑的，沒有尖點。 (2) 一般隨角增加而連續(xù)減小。 (3)該理論與實驗之間吻合較好。 (4)Hill-蔡理論中破壞強度 之間存在重要的相互聯系，而其他理論假定三種破壞是單獨發(fā)生的。 (5)此理論可進行簡化而得到各向

18、同性材料的結果。 Hill-蔡理論未考慮拉、壓性能不同的復合材料，這方面Hoffman提出如下新的理論：,五 單層板基本力學性能的實驗測定 對于拉伸和壓縮性能相同的正交各向異性單層板， 其剛度特性有： l方向彈性模量； 2方向彈性模量； 主泊松比，當 ，其余 ； 次泊松比，當 ，其余 ； 在1-2平面內的剪切模量。 上述工程模量中只有4個是獨立的。 強度特性有： X軸向(1方向)強度； Y橫向(2方向)強度； S剪切強度(12平面內)。 對于拉壓性能不同的單層板 彈性常數 分別有兩個 和 ， 強度有 。 腳標t代表拉伸，c代表壓縮。 上述基本剛度和強度特性可以通過實驗測定?，F在都采用單向薄板試

19、件測量其各項性能，這里分別介紹各種試驗。,1、拉伸試驗,試件形狀如圖所示。 拉伸試件形狀示意圖 要求試件兩端用金屬鋁片或玻璃鋼片作加強片加固，加強片厚度l2mm，采用粘結劑粘結，要求在試驗過程中加強片不脫落。,不同纖維方向的試件尺寸是不同的，試件尺寸規(guī)定見表。,(1)00試件，用引伸計或電阻應變計測量 ，測定 ， ， 的計算公式 式中， 為試件寬度，為厚度， 為1方向載荷， 為1方向極限載荷， 分別為1，2方向的應變。,00 (縱向)拉伸試驗 900 (橫向)拉伸試驗,(2)900試件，測定 ， 及 的公式如下： 式中， 為2方向載荷， 為2方向極限載荷。,2、壓縮試驗 壓縮試驗可測量 和 等

20、。由于載荷易偏心、試件易失穩(wěn)及端部易破壞，技術上不易圓滿解決，試件尺寸采取短標距，如圖所示。,3、偏軸拉伸法 用單層板切割成=450偏軸拉伸試件，在 作用下，試件處于平面應力狀態(tài)，則有 其中 用工程彈性常數和的三角函數表示如下：,現=450，作用力為 ，應力 ， ，則有 將(4.1)中兩式相加得 另外，如已由O0，900方向拉伸實驗測得 和 ，則由式(4.1)中第一式可求得 其中，只需測 求得 。,(4.1),在 作用下450試件剪切破壞，剪切強度S可由下式求得： 由于偏軸拉伸有藕合剪應變，影響測量結果，故采取450對稱層合板試件(450/-450/-450/450)。作為拉伸實驗測定 和S，由于存在層間應力影響，所測也不很準確，其試件尺寸如圖。 對稱拉伸試件尺寸,六 單層復合材料的細觀力學分析 1單層復合材料的細觀力學分析目的： 第一，用組分材料的彈性常數來預測復合材料的彈性常數或剛度、柔度。例如纖維增強復合材料的剛度系數用纖維和基體的彈性常數以及它們的相對體積含量來確定： 式中： 為各向同性纖維的彈性模量， 為各向同性纖維的泊松比， 為基體彈性模量， 為基體的泊松比， 和 分別為纖維和基體相對體積含量(