欢迎您来到全国水雨情信息网站! 2021年1月28日 星期五
 
  当前位置: 首页--水利百科--工程力学、岩土力学、工程结构及材料--工程力学

复合材料力学

2020-04-09 21:01

研究复合材料结构在荷载等外界因素作用下的应力、变形和稳定性的学科,是固体力学的一个分支。其主要内容包括研究复合材料的力学性能(刚度、强度、破坏机理、断裂、疲劳、寿命预测等)和层合板(壳)的弯曲、稳定、振动、结构优化设计等应用问题。

发展概况

复合材料早已为人们所应用。古代建房中就已采用了稻草与黏土混合的纤维增强的复合材料;古埃及的金字塔中已用石灰、砂石和火山灰组合的颗粒复合材料为黏接剂。作为现代纤维复合材料的玻璃钢,20世纪40年代初在美国出现,并成为应用广泛的新材料之一。随着航空航天和核工业的发展,更促使高强、质轻的新型复合材料的迅速开发和应用,如纳米复合材料等一些高新技术产品已经出现。复合材料力学是20世纪60年代以后发展形成的一门实用性很强的学科,有些理论还不够成熟,实验方法也不够完善。复合材料的研究正朝着完善理论、提高性能、开发更适合当前需要的产品和扩大应用等方面发展。

复合材料及其分类

复合材料是两种或两种以上性能不同、又互不相容的材料通过一定的工艺组合成的一种新材料,其性能优于组成材料的性能。主要优点为:比强度(强度/比重)高、比刚度(刚度/比重)大,抗断裂和抗疲劳性能好,材料的可设计性好,耐腐蚀、耐磨损、隔音、隔热、绝缘性能好;主要缺点为:材料为非均匀及各向异性,分析、设计较为困难,材料性能离散性大,质量不易控制。复合材料可分为三大类:①纤维增强复合材料,以玻璃纤维、碳纤维、硼纤维等纤维材料为增强体,以塑料、树脂、金属、陶瓷等材料为基体复合而成。②层合复合材料,由两层以上不同片状材料粘合或压合而成。③颗粒复合材料,由金属或非金属颗粒增强材料悬浮在基体材料中复合而成。

复合材料力学的分析方法

有宏观和细观两种。在宏观力学分析中,将复合材料看成均匀的正交各向异性体,不考虑增强体和基体的具体区别,从宏观角度研究其平均的力学性能,进而研究复合材料的强度、刚度及其他工程应用性能;细观力学分析方法是将增强体和基体都看成是各向同性的均匀材料,由其各自的力学性能、几何形状和组成形式、含量及二者的相互作用来分析复合材料的宏观力学性能。后一种方法比较复杂,还仅限于分析单向复合材料(指纤维沿同一方向布置的单层板或层合板)在简单应力状态下的一些基本力学性质。

单向复合材料的失效判据理论

用宏观力学分析方法,单向复合材料在平面应力状态下的失效判据理论有以下3种。

(1)最大应力理论。当单向复合材料的某一正轴应力(指沿着纤维方向或垂直于纤维方向的应力)达到相应的正轴强度时,材料失效。其判据为

式中,σx为沿纤维方向的轴向应力;σy为垂直于纤维方向的横向应力;σs为xy面内的剪应力,σsx(或τy);X、Y、S分别为轴向、横向和剪切强度。

(2)最大应变理论。当单向复合材料的某一正轴应变达到相应的极限值时,材料失效。其判据为

式中,εx为轴向应变;εy为横向应变;εs为剪应变;Ex、Ey、Es分别为轴向、横向和剪切弹性模量。

(3)二次失效理论。是由各向同性材料的形变比能强度理论(即第四强度理论)推广而来的,它同时考虑了应力的一次项和二次项,其失效判据式为

式中6个参数Fxx、Fxy、Fyy、Fss、Fx和Fy中,有5个可直接根据简单实验确定,另一个可通过复杂实验或其他分析方法确定。

责编: system