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1、第5章复合材料力学性能第1页，此课件共37页哦Review第第第第4 4 4 4章章章章 纤维复合材料及其制造方法纤维复合材料及其制造方法纤维复合材料及其制造方法纤维复合材料及其制造方法4.1 4.1 聚合物基复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料4.2 4.2 碳基复合材料碳基复合材料碳基复合材料碳基复合材料4.3 4.3 混杂纤维复合材料混杂纤维复合材料混杂纤维复合材料混杂纤维复合材料4.4 4.4 其他复合材料其他复合材料其他复合材料其他复合材料第2页，此课件共37页哦 Content第第第第5 5 5 5章章章章 复合材料力学性能复合材料力学性能复合材料力学性能复合材
2、料力学性能5.1 5.1 概概概概 述述述述5.2 5.2 各向异性弹性材料力学基础各向异性弹性材料力学基础各向异性弹性材料力学基础各向异性弹性材料力学基础5.3 5.3 单层板的弹性特性单层板的弹性特性单层板的弹性特性单层板的弹性特性5.4 5.4 单层板的强度理论单层板的强度理论单层板的强度理论单层板的强度理论5.5 5.5 复合材料的力学性能试验复合材料的力学性能试验复合材料的力学性能试验复合材料的力学性能试验5.6 5.6 单向复合材料各组分的强度准则单向复合材料各组分的强度准则单向复合材料各组分的强度准则单向复合材料各组分的强度准则5.7 5.7 复合材料单向层板均匀各向同性材料的强
3、度理论复合材料单向层板均匀各向同性材料的强度理论复合材料单向层板均匀各向同性材料的强度理论复合材料单向层板均匀各向同性材料的强度理论5.8 5.8 纤维复合材料的疲劳行为纤维复合材料的疲劳行为纤维复合材料的疲劳行为纤维复合材料的疲劳行为5.9 5.9 单向复合材料的破坏模式单向复合材料的破坏模式单向复合材料的破坏模式单向复合材料的破坏模式第3页，此课件共37页哦5.1 概述概述 复合材料力学性能的特点复合材料力学性能的特点复合材料力学性能的特点复合材料力学性能的特点复合材料的力学性能很大程度取决于复合材料的力学性能很大程度取决于复合材料的力学性能很大程度取决于复合材料的力学性能很大程度取决于增
4、强纤维的性能、含量及排列方式增强纤维的性能、含量及排列方式增强纤维的性能、含量及排列方式增强纤维的性能、含量及排列方式按纤维的排列方式，从力学角度，复合材料分为按纤维的排列方式，从力学角度，复合材料分为按纤维的排列方式，从力学角度，复合材料分为按纤维的排列方式，从力学角度，复合材料分为单向（纤维增强）复合材料单向（纤维增强）复合材料单向（纤维增强）复合材料单向（纤维增强）复合材料双向（正交纤维增强）复合材料双向（正交纤维增强）复合材料双向（正交纤维增强）复合材料双向（正交纤维增强）复合材料多向（纤维增强）复合材料多向（纤维增强）复合材料多向（纤维增强）复合材料多向（纤维增强）复合材料三向正交（
5、纤维增强）复合材料三向正交（纤维增强）复合材料三向正交（纤维增强）复合材料三向正交（纤维增强）复合材料乱短纤维增强复合材料乱短纤维增强复合材料乱短纤维增强复合材料乱短纤维增强复合材料第4页，此课件共37页哦第5页，此课件共37页哦 复合材料力学分类复合材料力学分类复合材料力学分类复合材料力学分类复合材料力学复合材料力学复合材料力学复合材料力学复合材料的材料力学复合材料的材料力学复合材料的材料力学复合材料的材料力学复合材料的结构力学复合材料的结构力学复合材料的结构力学复合材料的结构力学-宏观力学宏观力学宏观力学宏观力学叠层理论叠层理论叠层理论叠层理论-粗观力学粗观力学粗观力学粗观力学细观力学细观
6、力学细观力学细观力学第6页，此课件共37页哦a)a)a)a)细观力学细观力学细观力学细观力学研究单向（或单层）复合材料的平均物理性能与各相材料研究单向（或单层）复合材料的平均物理性能与各相材料研究单向（或单层）复合材料的平均物理性能与各相材料研究单向（或单层）复合材料的平均物理性能与各相材料的物理性能和相几何之间的关系，以及研究复合材料非均匀介质的物理性能和相几何之间的关系，以及研究复合材料非均匀介质的物理性能和相几何之间的关系，以及研究复合材料非均匀介质的物理性能和相几何之间的关系，以及研究复合材料非均匀介质各相内部的真实应力与应变场分布。各相内部的真实应力与应变场分布。各相内部的真实应力与
7、应变场分布。各相内部的真实应力与应变场分布。阐明复合材料性能的机理，并作为复合材料设计的理论基础阐明复合材料性能的机理，并作为复合材料设计的理论基础阐明复合材料性能的机理，并作为复合材料设计的理论基础阐明复合材料性能的机理，并作为复合材料设计的理论基础b)b)b)b)复合材料的结构力学复合材料的结构力学复合材料的结构力学复合材料的结构力学研究对象是用复合材料组成的各种结构件研究对象是用复合材料组成的各种结构件研究对象是用复合材料组成的各种结构件研究对象是用复合材料组成的各种结构件第7页，此课件共37页哦5.2 各向异性弹性材料力学基础各向异性弹性材料力学基础应力应力应力应力-应变关系确定着应变
8、关系确定着应变关系确定着应变关系确定着材料的刚度、强度、变形及失效等性能与状态材料的刚度、强度、变形及失效等性能与状态材料的刚度、强度、变形及失效等性能与状态材料的刚度、强度、变形及失效等性能与状态 应力应力应力应力应力分量和平衡微分方程应力分量和平衡微分方程应力分量和平衡微分方程应力分量和平衡微分方程应力变换应力变换应力变换应力变换幂函数形式变换公式幂函数形式变换公式幂函数形式变换公式幂函数形式变换公式倍角函数形式变换公式倍角函数形式变换公式倍角函数形式变换公式倍角函数形式变换公式应力转轴公式应力转轴公式应力转轴公式应力转轴公式第8页，此课件共37页哦 应变：弹性体变形的度量应变：弹性体变形
9、的度量应变：弹性体变形的度量应变：弹性体变形的度量应变变换应变变换应变变换应变变换应力应力应力应力-应变关系应变关系应变关系应变关系弹性应变能弹性应变能弹性应变能弹性应变能 特殊材料的虎克定律特殊材料的虎克定律特殊材料的虎克定律特殊材料的虎克定律第9页，此课件共37页哦5.3 单层板的弹性特性单层板的弹性特性第10页，此课件共37页哦 单层板的主方向的弹性特性单层板的主方向的弹性特性单层板的主方向的弹性特性单层板的主方向的弹性特性 单层板非弹性方向的弹性特性单层板非弹性方向的弹性特性单层板非弹性方向的弹性特性单层板非弹性方向的弹性特性应力和应变的转轴公式应力和应变的转轴公式应力和应变的转轴公式
10、应力和应变的转轴公式非弹性主方向的应力应变关系非弹性主方向的应力应变关系非弹性主方向的应力应变关系非弹性主方向的应力应变关系第11页，此课件共37页哦5.4 单层板的强度理论单层板的强度理论最大应力理论最大应力理论最大应力理论最大应力理论最大应变理论最大应变理论最大应变理论最大应变理论蔡蔡蔡蔡-希尔强度理论希尔强度理论希尔强度理论希尔强度理论蔡蔡蔡蔡-吴应力张量多项式理论吴应力张量多项式理论吴应力张量多项式理论吴应力张量多项式理论第12页，此课件共37页哦5.5 复合材料的力学性能试验复合材料的力学性能试验 拉伸试验拉伸试验拉伸试验拉伸试验第13页，此课件共37页哦第14页，此课件共37页哦压
11、缩试验压缩试验压缩试验压缩试验第15页，此课件共37页哦剪切试验剪切试验剪切试验剪切试验层间层间层间层间剪切试验剪切试验剪切试验剪切试验第16页，此课件共37页哦弯曲试验弯曲试验弯曲试验弯曲试验第17页，此课件共37页哦5.6 单向复合材料各组分的强度准则单向复合材料各组分的强度准则第18页，此课件共37页哦 聚合物基体的强度聚合物基体的强度聚合物基体的强度聚合物基体的强度第19页，此课件共37页哦 纤维强度纤维强度纤维强度纤维强度依赖于纤维表面裂纹的情况依赖于纤维表面裂纹的情况依赖于纤维表面裂纹的情况依赖于纤维表面裂纹的情况 基体的存在使单根纤维断裂的影响有限基体的存在使单根纤维断裂的影响有
12、限基体的存在使单根纤维断裂的影响有限基体的存在使单根纤维断裂的影响有限第20页，此课件共37页哦 粘结强度粘结强度粘结强度粘结强度界面强度作用机理界面强度作用机理界面强度作用机理界面强度作用机理 吸附和浸润吸附和浸润吸附和浸润吸附和浸润第21页，此课件共37页哦相互扩散相互扩散相互扩散相互扩散 静电吸引静电吸引静电吸引静电吸引第22页，此课件共37页哦化化化化学学学学键键键键结结结结合合合合玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维第23页，此课件共37页哦机械粘着机械粘着机械粘着机械粘着第24页，此课件共37页哦5.7 5.7 复合材料单向层板均匀各向同性材料的强度理论复合材料
13、单向层板均匀各向同性材料的强度理论复合材料单向层板均匀各向同性材料的强度理论复合材料单向层板均匀各向同性材料的强度理论最大主应力理论最大主应力理论最大主应力理论最大主应力理论最大主应变理论最大主应变理论最大主应变理论最大主应变理论最大剪应力理论最大剪应力理论最大剪应力理论最大剪应力理论最大总应变比能理论最大总应变比能理论最大总应变比能理论最大总应变比能理论最大剪切应变比能（畸变能）理论最大剪切应变比能（畸变能）理论最大剪切应变比能（畸变能）理论最大剪切应变比能（畸变能）理论双剪应力理论双剪应力理论双剪应力理论双剪应力理论库伦理论库伦理论库伦理论库伦理论摩尔理论摩尔理论摩尔理论摩尔理论理论选用原
14、则理论选用原则理论选用原则理论选用原则材料的性质（塑性还是脆性）材料的性质（塑性还是脆性）材料的性质（塑性还是脆性）材料的性质（塑性还是脆性）受力情况（位于应力坐标平面中的哪一个象限）受力情况（位于应力坐标平面中的哪一个象限）受力情况（位于应力坐标平面中的哪一个象限）受力情况（位于应力坐标平面中的哪一个象限）第25页，此课件共37页哦5.8 纤维复合材料的疲劳行为纤维复合材料的疲劳行为研究的意义研究的意义研究的意义研究的意义根据要求的疲劳性能选择材料根据要求的疲劳性能选择材料根据要求的疲劳性能选择材料根据要求的疲劳性能选择材料评估结构的疲劳损伤评估结构的疲劳损伤评估结构的疲劳损伤评估结构的疲劳
15、损伤按要求的疲劳寿命保证结构的安全可靠性按要求的疲劳寿命保证结构的安全可靠性按要求的疲劳寿命保证结构的安全可靠性按要求的疲劳寿命保证结构的安全可靠性疲劳的定义疲劳的定义疲劳的定义疲劳的定义在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为，论述在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为，论述在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为，论述在周期性交变载荷作用下材料发生的破坏行为，论述了材料经受周期应力和应变时的失效过程。了材料经受周期应力和应变时的失效过程。了材料经受周期应力和应变时的失效过程。了材料经受周期应力和应变时的失效过程。第26页，此课件共37页哦 复合材料的疲劳损伤复合材料的疲劳损伤复合材料的疲
16、劳损伤复合材料的疲劳损伤1 1）在疲劳过程中，尽管初始损伤尺寸比金属材料大，但疲劳寿命比在疲劳过程中，尽管初始损伤尺寸比金属材料大，但疲劳寿命比在疲劳过程中，尽管初始损伤尺寸比金属材料大，但疲劳寿命比在疲劳过程中，尽管初始损伤尺寸比金属材料大，但疲劳寿命比金属长；金属长；金属长；金属长；2 2）疲劳损伤是累积的，在破坏前，损伤已有了较大的发展，有明显的征）疲劳损伤是累积的，在破坏前，损伤已有了较大的发展，有明显的征）疲劳损伤是累积的，在破坏前，损伤已有了较大的发展，有明显的征）疲劳损伤是累积的，在破坏前，损伤已有了较大的发展，有明显的征兆，而金属材料的破坏又很大的突发性；兆，而金属材料的破坏又
17、很大的突发性；兆，而金属材料的破坏又很大的突发性；兆，而金属材料的破坏又很大的突发性；3 3）在高应力出现较大范围的损伤，表现出非常复杂的疲劳破坏）在高应力出现较大范围的损伤，表现出非常复杂的疲劳破坏）在高应力出现较大范围的损伤，表现出非常复杂的疲劳破坏）在高应力出现较大范围的损伤，表现出非常复杂的疲劳破坏行为，很少出现金属材料的单一裂纹控制的破坏机理。行为，很少出现金属材料的单一裂纹控制的破坏机理。行为，很少出现金属材料的单一裂纹控制的破坏机理。行为，很少出现金属材料的单一裂纹控制的破坏机理。第27页，此课件共37页哦第28页，此课件共37页哦第29页，此课件共37页哦第30页，此课件共37
18、页哦 复合材料的疲劳性能及其影响因素复合材料的疲劳性能及其影响因素复合材料的疲劳性能及其影响因素复合材料的疲劳性能及其影响因素研究方法研究方法研究方法研究方法测定在不同受力状态下的应力测定在不同受力状态下的应力测定在不同受力状态下的应力测定在不同受力状态下的应力-寿命（寿命（寿命（寿命（S-NS-N）曲线）曲线）曲线）曲线特点：复合材料没有明确的疲劳极限特点：复合材料没有明确的疲劳极限特点：复合材料没有明确的疲劳极限特点：复合材料没有明确的疲劳极限复合材料的疲劳寿命与疲劳极限又很大的分散性复合材料的疲劳寿命与疲劳极限又很大的分散性复合材料的疲劳寿命与疲劳极限又很大的分散性复合材料的疲劳寿命与疲
19、劳极限又很大的分散性碳纤维强度分散度：碳纤维强度分散度：碳纤维强度分散度：碳纤维强度分散度：10%10%玻璃纤维强度分散度：玻璃纤维强度分散度：玻璃纤维强度分散度：玻璃纤维强度分散度：15%15%环氧树脂强度分散度：环氧树脂强度分散度：环氧树脂强度分散度：环氧树脂强度分散度：10%10%疲劳试验的试件最少疲劳试验的试件最少疲劳试验的试件最少疲劳试验的试件最少10-1510-15个个个个第31页，此课件共37页哦平均应力和循环应力比平均应力和循环应力比平均应力和循环应力比平均应力和循环应力比加载频率加载频率加载频率加载频率缺口缺口缺口缺口组成与铺层方式组成与铺层方式组成与铺层方式组成与铺层方式
20、环境温度和湿度环境温度和湿度环境温度和湿度环境温度和湿度影响疲劳寿命的因素影响疲劳寿命的因素影响疲劳寿命的因素影响疲劳寿命的因素第32页，此课件共37页哦 疲劳寿命的预测疲劳寿命的预测疲劳寿命的预测疲劳寿命的预测疲劳寿命预测的理论模型疲劳寿命预测的理论模型疲劳寿命预测的理论模型疲劳寿命预测的理论模型疲劳裂纹扩散速率疲劳裂纹扩散速率疲劳裂纹扩散速率疲劳裂纹扩散速率基体材料及短纤维增强复合材料基体材料及短纤维增强复合材料基体材料及短纤维增强复合材料基体材料及短纤维增强复合材料累积损伤理论累积损伤理论累积损伤理论累积损伤理论连续纤维增强复合材料连续纤维增强复合材料连续纤维增强复合材料连续纤维增强复合
21、材料剩余强度理论剩余强度理论剩余强度理论剩余强度理论第33页，此课件共37页哦5.9 单向复合材料的破坏模式单向复合材料的破坏模式单向复合材料的破坏模式影响因素单向复合材料的破坏模式影响因素单向复合材料的破坏模式影响因素单向复合材料的破坏模式影响因素纤维和基体的种类纤维和基体的种类纤维和基体的种类纤维和基体的种类材料内部各种缺陷及损伤材料内部各种缺陷及损伤材料内部各种缺陷及损伤材料内部各种缺陷及损伤 材料局部的微小缺陷材料局部的微小缺陷材料局部的微小缺陷材料局部的微小缺陷 制造缺陷：制造缺陷：制造缺陷：制造缺陷：气泡、空隙、贫或富胶、夹杂物、不正确的纤维取向气泡、空隙、贫或富胶、夹杂物、不正确
22、的纤维取向气泡、空隙、贫或富胶、夹杂物、不正确的纤维取向气泡、空隙、贫或富胶、夹杂物、不正确的纤维取向 使用损伤：使用损伤：使用损伤：使用损伤：划伤、擦伤、边缘损伤、冲击引起的分层、脱胶划伤、擦伤、边缘损伤、冲击引起的分层、脱胶划伤、擦伤、边缘损伤、冲击引起的分层、脱胶划伤、擦伤、边缘损伤、冲击引起的分层、脱胶 环境损伤：环境损伤：环境损伤：环境损伤：湿膨胀、热冲击造成的分层和脱胶、表面氧化湿膨胀、热冲击造成的分层和脱胶、表面氧化湿膨胀、热冲击造成的分层和脱胶、表面氧化湿膨胀、热冲击造成的分层和脱胶、表面氧化第34页，此课件共37页哦 纵向拉伸破坏纵向拉伸破坏纵向拉伸破坏纵向拉伸破坏至少三种破
23、坏模式：至少三种破坏模式：至少三种破坏模式：至少三种破坏模式：脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂伴有纤维拨出的脆性断裂伴有纤维拨出的脆性断裂伴有纤维拨出的脆性断裂伴有纤维拨出的脆性断裂伴有纤维拨出、界面基体剪切或脱胶破坏的脆性断裂伴有纤维拨出、界面基体剪切或脱胶破坏的脆性断裂伴有纤维拨出、界面基体剪切或脱胶破坏的脆性断裂伴有纤维拨出、界面基体剪切或脱胶破坏的脆性断裂第35页，此课件共37页哦第36页，此课件共37页哦 横向拉伸破坏横向拉伸破坏横向拉伸破坏横向拉伸破坏 纵向压缩破坏纵向压缩破坏纵向压缩破坏纵向压缩破坏横向开裂或破坏横向开裂或破坏横向开裂或破坏横向开裂或破坏 基体拉伸破坏；基体拉伸破坏；基体拉伸破坏；基体拉伸破坏；脱胶或纤维横向撕裂脱胶或纤维横向撕裂脱胶或纤维横向撕裂脱胶或纤维横向撕裂第37页，此课件共37页哦