复合材料试题及答案

复合材料试题及答案1.单项选择题（每题2分，共20分）1.1下列哪一项不是复合材料区别于传统均质材料的本质特征？A.多相共存B.界面效应显著C.密度一定低于基体D.性能可设计答案：C1.2对于连续纤维增强复合材料，纵向弹性模量E₁最常用的细观力学预测模型是：A.混合律B.HalpinTsai方程C.剪切滞后模型D.自洽模型答案：A1.3在层合板经典层合理论（CLT）中，下列哪一项不属于基本假设？A.各单层为正交各向异性线弹性B.层间位移连续C.层间正应力σ₃=0D.层间剪应力τ₁₃、τ₂₃沿厚度线性分布答案：D1.4碳纤维/环氧单向预浸料在固化后测得纤维体积分数V_f=60%，若纤维密度ρ_f=1.8g/cm³，树脂密度ρ_m=1.2g/cm³，则复合材料密度ρ_c为：A.1.44g/cm³B.1.56g/cm³C.1.68g/cm³D.1.80g/cm³答案：B1.5下列哪种试验方法最适合直接测定单向复合材料横向拉伸强度？A.0°拉伸B.90°拉伸C.±45°剪切D.短梁剪切答案：B1.6对于[0/90₄/0]T层合板，在面内拉伸载荷Nx作用下，首先出现基体开裂的铺层是：A.0°B.90°C.45°D.同等概率答案：B1.7采用真空辅助树脂灌注（VARI）工艺时，树脂流动前沿形状主要受哪一参数影响最大？A.纤维渗透率B.树脂凝胶时间C.纤维表面能D.模具热容答案：A1.8下列哪种界面增强剂最常用于提高玻璃纤维/环氧界面剪切强度？A.硅烷偶联剂B.磷酸酯C.硬脂酸锌D.石墨粉答案：A1.9在层间断裂韧性测试中，若DCB试样测得临界载荷P_c=45N，初始裂纹长度a=35mm，梁宽b=20mm，厚度h=3mm，则按修正梁理论得到的G_IC（单位：J/m²）最接近：A.200B.350C.500D.650答案：B1.10下列哪一项缺陷对复合材料疲劳寿命影响最敏感？A.表面划痕B.层间剥离C.纤维弯曲D.富脂区答案：B2.多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）2.1下列哪些因素会显著降低纤维/基体界面剪切强度τ_d？A.纤维表面氧化过度B.基体吸湿C.界面存在孔隙D.纤维表面涂覆硅烷E.固化残余热应力答案：A、B、C、E2.2关于层合板湿热膨胀，下列说法正确的是：A.吸湿膨胀系数β₁与纤维方向无关B.温度升高会导致基体膨胀系数α_m增大C.湿热应变可叠加到机械应变D.湿热膨胀会引起残余应力E.吸湿后玻璃化转变温度T_g降低答案：B、C、D、E2.3下列哪些试验标准适用于测定单向复合材料面内剪切模量G₁₂？A.ASTMD3518B.ASTMD5379C.ASTMD7078D.ASTMD3039E.ISO14129答案：A、B、C、E2.4在纤维缠绕压力容器设计中，环向缠绕角α与螺旋缠绕角β满足：A.α=90°B.β=arctan(r/l)C.环向层承担环向应力D.螺旋层承担轴向应力E.网格理论假设层间无剪切答案：A、C、D、E2.5下列哪些方法可用于层合板冲击后压缩强度（CAI）试验后的损伤表征？A.超声C扫描B.工业CTD.热揭层D.酸蚀刻E.数字图像相关（DIC）答案：A、B、C、E3.填空题（每空2分，共20分）3.1根据混合律，单向复合材料纵向弹性模量E₁=________×E_f×V_f+________×E_m×V_m。答案：1；13.2在层合板面内刚度矩阵[A]中，A₁₁表示单位宽度下面内________刚度。答案：拉伸3.3当层合板出现边缘分层时，层间正应力σ₃通常为________（拉/压）应力。答案：拉3.4真空袋压成型中，真空度一般要求不低于________kPa。答案：853.5碳纤维表面电化学氧化处理的目的是增加________基团含量，从而提高界面粘接。答案：含氧极性3.6在疲劳载荷下，复合材料基体裂纹密度达到饱和的现象称为________饱和。答案：裂纹3.7层间剪切强度ILSS常用短梁剪切试验测定，跨厚比规定为________。答案：43.8对于[±60]₃S层合板，其面内泊松比ν_xy理论值接近________。答案：0.553.9热固性环氧固化反应属于________级反应。答案：二3.10在RTM工艺充模模拟中，控制方程为________方程与连续性方程联立。答案：Darcy4.简答题（每题8分，共24分）4.1简述界面相（interphase）对复合材料宏观力学性能的三方面影响，并给出定量描述参数。答案：(1)载荷传递：界面剪切强度τ_d决定纤维应力传递效率，直接影响纵向拉伸强度σ₁u；(2)裂纹偏转：界面断裂韧性G_ic低时，裂纹易沿界面扩展，提高韧性但降低强度；(3)残余应力：界面相模量E_i与厚度t_i影响热残余应力大小，参数可用ΔαΔT×E_i×t_i定量估算。4.2写出经典层合理论中面内应变{ε⁰}与曲率{κ}表示的中面应变场，并说明“中面”定义。答案：中面应变场：ε(z)=ε⁰+zκ；中面为层合板几何中心面，z=0，位移连续且满足Kirchhoff直法线假设。4.3列举三种提高层间断裂韧性G_IC的增韧方法，并比较其对层合板面内刚度的影响。答案：(1)层间插膜：增韧颗粒或热塑性膜，G_IC提高100%，面内刚度下降<5%；(2)纳米纤维插层：电纺PA66纳米纤维，G_IC提高50%，刚度几乎不变；(3)基体增韧：添加橡胶或核壳粒子，G_IC提高80%，面内刚度下降10–15%。5.计算题（共41分）5.1细观力学计算（10分）已知碳纤维/环氧单向复合材料：E_f=230GPa，E_m=3.5GPa，V_f=60%，ν_f=0.2，ν_m=0.35。求：(1)纵向弹性模量E₁；(2)横向弹性模量E₂（采用HalpinTsai，ξ=2）；(3)主泊松比ν₁₂。答案：(1)E₁=0.6×230+0.4×3.5=139.4GPa(2)η=(230/3.51)/(230/3.5+2)=0.970E₂=3.5×(1+2×0.970×0.6)/(10.970×0.6)=12.8GPa(3)ν₁₂=0.6×0.2+0.4×0.35=0.265.2层合板刚度矩阵计算（12分）某碳/环氧单层板工程常数：E₁=140GPa，E₂=10GPa，G₁₂=5GPa，ν₁₂=0.3。铺层序列[0/45/−45/90]S，每层厚度0.125mm，总厚1.0mm。求：(1)单层折算刚度Q̄₄₅；(2)层合板拉伸刚度A₁₁；(3)耦合刚度B₁₁。答案：(1)对于45°：m=cos45°=√2/2，n=sin45°=√2/2Q₁₁=140.9GPa，Q₂₂=10.1GPa，Q₁₂=3.03GPa，Q₆₆=5.0GPaQ̄₁₁(45°)=m⁴Q₁₁+n⁴Q₂₂+2m²n²(Q₁₂+2Q₆₆)=44.9GPa同理Q̄₂₂=44.9GPa，Q̄₁₂=34.9GPa，Q̄₆₆=36.4GPa(2)A₁₁=ΣQ̄₁₁(h_k)=2×(140.9+44.9+44.9+10.1)×0.125=61.0kN/mm(3)对称铺层，B₁₁=05.3湿热应变分析（9分）上述层合板在80℃、相对湿度95%下平衡吸湿0.8wt%。已知：α₁=−0.1×10⁻⁶/℃，α₂=28×10⁻⁶/℃，β₁=0，β₂=0.003（应变/wt%）。求：(1)单层自由湿热应变ε₁^H、ε₂^H；(2)层合板中面湿热应变ε₁^0、ε₂^0（假设完全约束）。答案：(1)ε₁^H=α₁ΔT+β₁C=−0.1×10⁻⁶×60+0=−6×10⁻⁶ε₂^H=28×10⁻⁶×60+0.003×0.8=1680×10⁻⁶+2400×10⁻⁶=4080×10⁻⁶(2)对称铺层，无曲率，ε₁^0=ε₂^0=0（外部约束），层内产生自平衡应力5.4强度预测（10分）TsaiWu准则：F₁σ₁+F₂σ₂+F₁₁σ₁²+F₂₂σ₂²+F₆₆τ₁₂²+2F₁₂σ₁σ₂=1已知：F₁=0，F₂=0.04MPa⁻¹，F₁₁=4×10⁻⁶MPa⁻²，F₂₂=120×10⁻⁶MPa⁻²，F₆₆=200×10⁻⁶MPa⁻²，F₁₂=−2×10⁻⁶MPa⁻²。若σ₁=800MPa，σ₂=30MPa，τ₁₂=60MPa，判断是否失效；若未失效，求安全系数R。答案：代入：0+0.04×30+4×10⁻⁶×800²+120×10⁻⁶×30²+200×10⁻⁶×60²−2×10⁻⁶×800×30=1.2+2560+108+720−48=3341.2×10⁻³=3.341>1，已失效重算R：令σ=Rσ₀，解得R=0.556.综合应用题（30分）6.1某航空机翼蒙皮采用[0/±45/90]₂S碳/环氧层合板，设计载荷Nx=2.5kN/mm，Ny=0.8kN/mm，Nxy=0.5kN/mm。材料参数同5.2。任务：(1)计算层合板面内力resultant{N}对应的中面应变{ε⁰}；(2)找出应力最大的铺层及应力分量；(3)采用Hashin准则判断最先出现的失效模式；(4)提出两项工艺改进以提高安全裕度，并定量估算改进后强度提升百分比。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⎦{ε⁰}=[A]⁻¹{N}={3800,1100,2440}×10⁻⁶(2)0°铺层：σ₁=140.9×3800+3.03×1100=538MPaσ₂=3.03×3800+10.1×1100=12.7MPaτ₁₂=090°铺层：σ₁=140.9×1100+3.03×3800=166MPaσ₂=3.03×1100+10.1×3800=41.7MPa±45°铺层：经坐标转换，σ₁≈420MPa，τ₁₂≈±65MPa最大纵向拉伸应力出现在0°铺层，538MPa(3)Hashi