复合材料力学

1、复合材料力学1031001050张建新工程力学复合材料力学复合材料是一类新型材料，其强度高，刚度大，重量轻，并具有抗疲劳、减振、耐高温，可设计等优点，近30年来在航空、航天、能源、交通、建筑、机械、生物医学和体育运动等部门日益取得广泛的应用，可以预言，21世纪将进入复合材料的时代。复合材料在飞机上的应用，大大地推动了它的研究和发展。钦合金本来比铝合金轻得多如用碳纤维复合材料代替钦合金制作发动机叶片，其重量可再减轻一半，用碳一碳复合材料制成飞机刹车片，代替现用的钢制刹车片，据调查每架大型飞机约可减轻六百公斤。要知道每减轻结构重量的10%,就可以增加有效载荷、增加航程、缩短滑道距离等。如用碳纤维一

2、陶瓷复合材料制作新型高速喷气飞机涡轮叶片，能承受1400C以上高温和每分钟三万转的高转速。又如大型飞机的机翼一般是相当长的，若采用金属材料来制成，其刚度就不易保障，机翼端部可能产生较大变形而不能满足空气动力学和飞行安全的要求。若用碳纤维制成机翼，既可以减轻飞机的总重量，又能保障机翼的适宜刚度。国外已将碳纤维等复合材料逐步应用于飞机的主要承力构件中，如机翼、机身及尾翼等部件。美国发射的航天飞机，也在机翼前缘和一部分机身上采用了碳纤维复合材料，以提高抗高温性能和减轻整体重量。不久前美国里尔飞机工厂制造了一架里尔帆飞机，整个结构全用复合材料，机体重量很轻，从而大大地增加了航程，比一般飞机优越，它能从

3、美国东部飞到西部，不要中间加油。复合材料的优缺点复合材料优点是比强度高，特别是高强碳纤维、芳纶纤维复合材料；比模量高，特别是高模量碳纤维复合材料；材料具有可设计性，可以将复合材料内纤维设计成适当含量并合理铺设；制造工艺简单，成本较低；某些复合材料热稳定性好，环境温度变化时结构只有极小的热应力和热变形。此外复合材料还具有各种不同的优良性能，例如抗疲劳性、抗冲击性、电绝缘性、导热性、耐高温或低温性、透电磁波性，减振阻尼性、耐腐蚀性等。复合材料也有很多缺点，材料各向异性严重，材料性能的分散度较大，质量控制和检测较困难。材料的成本也高，有些复合材料韧性较差，机械连接较困难。复合材料还有一般常识不易理解

4、的特殊力学性能，即在某种铺层排列下，它能出现负的泊桑比,即层板在一个方向受拉伸时，它可以在另一个垂直方向膨胀。反之，在一个方向受压缩时它可以在另一垂直方向收缩。这一特性是可以利用的。有人设想利用这种材料做成管接头不需要胶接或挪接，只需将一根管子塞进另一根管子就可以了。即在设计上，口径大小适度当塞进时，两根管子都受压，使内管直径变小，外管直径变大，从而塞进去很容易。在两管相拉时内管直径变大，外管直径变小，从而使两管很难拔开。复合材料结构的动力问题，在复合材料结构中也很重要，与常规材料结构的动力问题相比较，它具有新的特点淇中一个特点是它的阻尼较大。例如，用同样形状和大小的两根不同材料的梁，分别进行

5、各自的振动实验，可以看出，轻金属梁的振动衰减时间，将是复合材料梁的几倍。复合材料力学分析复合材料力学分析与研究大致可分为材料力学和结构力学两大部分。按力学模型的精细程度可分为细观力学和宏观力学两部分。细观力学以纤维和基体看作是基本元件，把纤维和基体分别看成是各向同性的均匀材料，根据纤维的集合形状和布置形式、纤维和基体的力学性能、纤维和基体间的相互作用等条件来分析复合材料的宏观力学性能。细观力学对研究材料破坏机理和寻求提高复合材料性能的方法将起很大的作用。宏观力学是从材料是均匀的假定出发，只从复合材料平均表观性能检验组分材料的作用来研究复合材料的宏观力学性能。它把单层材料看成均匀的各向异性材料，

6、不考虑纤维和基体的具体区别，用其平均性能来表示单层材料的刚度、强度特性，可以较容易地分析单层和叠层材料的各种力学性质，所得结果较符合实际。宏观力学的基础是预知单层材料的宏观力学性能，如弹性常数、强度等。复合材料的断裂疲劳损伤与金属材料不同，复合材料由纤维和基体等不同组分材料不均匀地组成，并具有各向异性，其破坏过程非常复杂。纤维复合增强材料从制造到使用，可能存在各种局部缺陷和损伤，从细观看，先在制成的材料内部有各种局部的微小缺陷。复合材料的损伤主要有4种类型：（1）基体开裂，（2）界面脱粘，（3）分层（层间开裂），（4）纤维断裂。有时这四类损伤不同组合而形成综合损伤，随着损伤区域和尺寸的增大，宏

7、观裂纹扩展，最后达到材料的断裂破坏，复合材料的破坏过程是由原始缺陷，微小损伤，随荷载增大损伤裂纹扩展，直至宏观裂纹扩展到断裂的复杂过程。复合材料破坏的特点主要有：（1）不同纤维分布对缺陷的敏感性不同。（2）两种破坏模式，整体损伤模式和裂纹扩展模式。（3）层合板的多重开裂复合材料断裂的细观分析断裂从细观上有几种形式，如纤维和基体整体断裂，纤维拉断后由于与基体界面结合较弱，纤维断头从基体内拔出，纤维不断，主裂纹跨过纤维在基体内传播，形成“桥联”的断裂形式等。复合材料的疲劳随着复合材料在航空、航天、汽车、动力等工程受交变荷载作用部件中的广泛应用，对复合材料的疲劳破坏的研究越来越受到重视，复合材料与金

8、属材料的结构构造不同，疲劳的机理不同，疲劳性能有很大差别，总的来说，复合材料抗疲劳破坏的性能比金属材料好很多。由（图1）可以看出两者的优劣。初蛤初始段I扩展段载荷鬲环周效图1:疲劳破坏过程比较尽管复合材料初始缺陷损伤尺寸比金属材料大，例如纤维断开、基体开裂、纤维与基体脱胶、层间局部脱离等，但疲劳寿命比金属长，同时复合材料疲劳损伤是积累的，而且有明显的征兆，金属材料损伤积累是隐蔽的，破坏有突发性，此外金属材料在交变荷载作用下往往出现一条疲劳主裂纹，它控制最后的疲劳破坏。而复合材料往往在高应力区出现较大范围的损伤，疲劳破坏很少由单一的裂纹控制。影响疲劳寿命的因素很多，主要有：(1) 平均应力与循环

9、应力比(2) 加载频率(3) 缺口(4) 组分与铺层方式(5) 环境温度与湿度复合材料的损伤复合材料层板，分层损伤是最主要的损伤形式，产生分层是由于层板在自由边(含有孔板的孔边和自由边)附近出现层间应力。由于复合材料层板断裂的特点，其损伤形式不可简化为一个或有限个宏观裂纹，而是以遍布损失区内基体裂纹，分层及少量纤维断裂为特征。因此需用新的研究方法，通过对其损失机理的实验研究，找出能描述损失状态的损失变量及其变化方程，最后建立反映复合材料破坏本质的损伤破坏判据。复合材料的蠕变最广泛应用的复合材料是聚合物基复合材料，它在不太高的温度，甚至在室温下有明显的粘弹性，随着时间推移，这种复合材料会产生蠕变

10、或应力松弛，聚合物基体具有较大的粘弹性，而增强纤维一般是弹性的，由于基体在复合材料中起粘接纤维和传递应力作用。因此使复合材料也具有粘弹性，对于纯聚合物材料的蠕变，其线性弹性描述已较完善，但由于纤维复合成复合材料，其粘弹性性能相当复杂，主要表现在：(1) 具有各向异性。(2) 纤维蠕变与集体蠕变机制不同。(3) 界面存在增加了力学性能的复杂性。由于纤维存在，引起复合材料的蠕变因素增多了，主要有：(1) 基体蠕变，这是主要来源。(2) 纤维由不直到逐渐拉直，纤维织物交叉处纤维弯曲，在外力作用下也随基体蠕变而逐渐拉直。(3) 纤维在高温及高应力下显示一定程度的蠕变，纤维在强度较弱或应力较大处发生断裂

11、，使复合材料蠕变明显增加。复合材料在一定应力水平下蠕变的过程，通常有三个阶段，如(图2)表示。图2:复合材料典型蠕变曲线图中OA表示加载瞬时应变；AB段为第一阶段，称为暂态阶段，这一段应变增加快，但应变速率逐渐减小，趋于稳定；BC段曲线代表第二阶段，应变缓慢地以几乎不变速率增长，这一稳态阶段一般时间较长，延续长短主要与应力水平有关；CD段为第三阶段，材料由于损伤的积累而接近于破坏，最后导致材料蠕变断裂。如应力水平较低，可不出现第三阶段；如应力水平接近材料强度极限，可缩短第二阶段而很快进入第三阶段。复合材料的连接复合材料连接方式一般分为两类：胶结和机械连接，胶结接头主要优点是：(1)能得到平滑结构表面，连接件上不易产生应力集中和裂纹扩展，可用于不