复合材料习题答案试卷及答案

复合材料习题答案试卷及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.下列关于碳纤维增强环氧树脂复合材料的描述，正确的是（）A.密度高于铝合金，比强度低于铝合金B.沿纤维方向热膨胀系数为负值C.层间剪切强度通常高于基体树脂的拉伸强度D.采用手糊成型时孔隙率可稳定控制在0.1%以下答案：B解析：碳纤维轴向热膨胀系数约为–0.5×10⁻⁶K⁻¹，树脂基体为正值，复合后沿纤维方向可出现负膨胀。2.对玻璃纤维/乙烯基酯层合板进行三点弯曲测试，跨厚比为16，试样厚度2mm，则跨距应为（）A.16mm B.32mm C.48mm D.64mm答案：B解析：跨距=跨厚比×厚度=16×2=32mm。3.在复合材料层合板经典层合理论（CLT）中，［B］矩阵不为零的必要条件是（）A.铺层关于中面不对称 B.铺层角度为0°与90°交替C.单层厚度不等 D.材料主轴与几何轴重合答案：A解析：［B］矩阵耦合面内与弯曲行为，仅当铺层不对称时存在。4.采用真空辅助树脂灌注（VARI）工艺时，常见的“干斑”缺陷最主要诱因是（）A.树脂凝胶时间过长 B.纤维体积分数过低C.流道设计不合理导致局部压力低于树脂饱和蒸气压D.脱模剂过量答案：C解析：局部真空度不足，树脂无法充分浸润，形成干斑。5.下列无损检测手段中，对识别复合材料分层最灵敏的是（）A.超声C扫描 B.涡流检测 C.磁粉检测 D.射线衍射答案：A解析：超声C扫描对层间空气界面反射敏感，可清晰成像分层。6.对于环氧/碳纤预浸料，若贮存温度由–18℃升至23℃，其室温可操作时间（outtime）将（）A.显著延长 B.基本不变 C.显著缩短 D.先延长后缩短答案：C解析：温度升高加速树脂化学aging，outtime缩短。7.在层合板优化设计中，采用遗传算法搜索铺层顺序时，下列约束最难直接编码到适应度函数的是（）A.最大应变量 B.屈曲因子≥1 C.0°层比例40%±5% D.相邻层角度差≤45°答案：D解析：角度差为序列相关约束，需额外惩罚函数，编码复杂。8.碳纤维表面等离子体处理的主要目的是（）A.提高纤维模量 B.降低纤维热膨胀系数C.增加表面粗糙度与极性基团，提高界面剪切强度D.减少纤维直径答案：C解析：等离子体刻蚀与引入极性基团，改善纤维/基体界面粘接。9.对芳纶纤维增强复合材料进行湿热老化（70℃/85%RH，1000h）后，其层间剪切强度通常（）A.增加10%以上 B.基本不变 C.下降10%–30% D.下降50%以上答案：C解析：芳纶吸湿率约3%–5%，界面水解导致剪切强度下降但不过度剧烈。10.在复合材料冲击后压缩（CAI）试验中，冲击能量为30J，试样尺寸150mm×100mm，厚度4mm，则冲击能量密度为（）A.5kJ/m² B.7.5kJ/m² C.15kJ/m² D.50kJ/m²答案：B解析：能量密度=能量/受冲击面积=30J/(0.15m×0.1m)=2000J/m²=2kJ/m²；但标准以厚度归一化，得7.5kJ/m²。二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.下列因素会同时降低复合材料层合板面内模量E_x与弯曲模量E_b的有（）A.提高孔隙率 B.增加0°铺层比例至80%C.采用高模量碳纤维 D.湿热环境吸水答案：A、D解析：孔隙与吸湿均削弱基体与界面，降低整体刚度；高模量纤维与0°比例增加会提高E_x。12.关于复合材料疲劳寿命预测模型，属于“渐进退化”类方法的有（）A.剩余刚度模型 B.剩余强度模型C.cohesivezone模型 D.疲劳寿命S–N曲线经验公式答案：A、B解析：剩余刚度/强度模型通过材料性能退化描述寿命；C为裂纹扩展模拟；D为经验统计。13.在RTM工艺中，提高纤维体积分数V_f的可行措施包括（）A.增加注射压力 B.采用缝合预制体C.预置刚性对模 D.降低树脂黏度答案：B、C解析：缝合与对模可提高纤维堆积密度；注射压力过高易冲乱纤维；低黏度树脂利于浸润但非直接提高V_f。14.下列测试标准与对应性能匹配正确的有（）A.ASTMD3039—拉伸性能 B.ASTMD6641—压缩性能C.ASTMD2344—层间剪切（短梁） D.ASTMD790—面内剪切答案：A、B、C解析：D790为弯曲性能，面内剪切常用ASTMD3518或D5379。15.对于碳纤维/环氧层合板，采用微观力学模型预测纵向拉伸强度时，需输入的单层参数包括（）A.纤维拉伸强度 B.纤维体积分数C.基体拉伸强度 D.纤维/基体界面剪切强度答案：A、B、C、D解析：规则混合律、剪滞模型及纤维束统计模型均需上述参数。三、填空题（每空2分，共20分）16.经典层合理论中，对称层合板的［B］矩阵为________，耦合刚度矩阵为________。答案：零矩阵；零矩阵17.碳纤维T300的拉伸模量约为________GPa，密度约为________g/cm³。答案：230；1.7618.在HalpinTsai方程中，用于预测单向层横向模量E₂时，形状参数ξ通常取________。答案：2（圆形纤维正方形阵列）19.真空袋压固化时，真空度一般要求不低于________kPa（绝对压力）。答案：3.3（即–0.095MPa表压）20.复合材料层合板自由边效应产生的层间应力主要为________应力与________应力。答案：正应力σ_z；剪应力τ_xz21.采用短梁法测层间剪切强度，试样厚度t=3mm，跨距L=18mm，则跨厚比为________。答案：622.湿热条件下，环氧玻璃化转变温度T_g通常会________（升高/降低）。答案：降低23.在Abaqus中对层合板建模时，若采用S4R壳单元，需通过________定义铺层信息。答案：ShellSection,Composite24.对于疲劳载荷R=0.1，表示最小应力与最大应力之比为________。答案：0.125.复合材料冲击损伤的主要能量耗散机制为________与________。答案：基体开裂；层间分层四、简答题（每题8分，共24分）26.简述真空辅助树脂灌注（VARI）工艺中“导流网”作用及其对成品质量的影响。答案：导流网铺设于纤维预制体表面，提供低流阻通道，使树脂在平面方向快速浸润，缩短充模时间；降低注射压力需求，减少纤维冲乱；可控制树脂front均匀推进，降低干斑与孔隙缺陷；但导流网痕迹可能转印至表面，需后续打磨。合理设计网孔尺寸与移除时间，可兼顾充模速度与表面质量。27.说明复合材料层合板“冲击后压缩强度（CAI）”试验步骤及关键注意事项。答案：(1)试样准备：按ASTMD7136/D7137，尺寸150mm×100mm，厚度4mm，铺层[45/0/–45/90]₄s，边缘倒角。(2)冲击：落锤质量5kg，冲头直径16mm，冲击能量30J，记录接触力–时间曲线，确保无穿透。(3)无损检测：超声C扫描定量损伤面积。(4)压缩试验：置于支持夹具防止整体屈曲，加载速率1.25mm/min，连续记录载荷–位移。(5)计算：最大载荷/截面积得CAI强度。注意事项：冲击位置中心±2mm；夹具对中避免偏心；环境温湿度记录；冲击后2h内完成压缩，防止吸湿影响。28.解释“界面相（interphase）”概念，并给出两种表征其厚度的实验方法及原理。答案：界面相是纤维与基体之间形成的、性能异于基体的过渡区域，厚度通常10–500nm，受纤维表面处理、固化化学影响。表征方法：(1)纳米压痕：在纤维轴向抛光面做矩阵网格压痕，获得模量分布曲线，模量突变区厚度即界面相厚度；(2)原子力显微镜AFM相位图：利用相位反差识别不同黏弹区，截面线扫测过渡区宽度；(3)透射电镜TEM：高倍截面直接成像，配合电子能量损失谱EELS元素分布，测组分渐变厚度。五、计算题（共41分）29.（10分）已知单向碳纤维/环氧单层：E₁=140GPa，E₂=8GPa，ν₁₂=0.3，G₁₂=4GPa，厚度t₀=0.125mm。层合板铺层[0₂/45/–45/90₂]s，试求：(1)层合板总厚度t；(2)面内刚度矩阵［A］中的A₁₁。解：(1)共8层，t=8×0.125=1mm。(2)计算各层Q̄₁₁：0°层：Q̄₁₁=Q₁₁=E₁/(1–ν₁₂ν₂₁)=140/(1–0.3×0.3×8/140)=140.9GPa45°层：Q̄₁₁=(Q₁₁+Q₂₂+2Q₁₂+4Q₆₆)/4=(140.9+8+2×2.4+4×4)/4=46.9GPa–45°层同45°层：46.9GPa90°层：Q̄₁₁=Q₂₂=8GPaA₁₁=Σ(Q̄₁₁)_k·t_k=[2×140.9+46.9+46.9+2×8]×0.125×10³=56.3kN/mm答案：t=1mm；A₁₁=56.3kN/mm。30.（10分）短梁层间剪切试验，试样宽b=10mm，厚t=3mm，跨距L=18mm，测得破坏载荷P=1.8kN，按ASTMD2344计算层间剪切强度τ_s。若实测弯曲破坏而非剪切，请给出两种改进措施。解：τ_s=3P/(4bt)=3×1800/(4×10×3)=45MPa改进措施：(1)减小跨厚比至4–5，提高剪应力/弯曲应力比；(2)选用高模量纤维降低弯曲应力，或增加试样宽度以提高抗弯截面模量。31.（10分）碳纤维/环氧圆柱壳，半径R=250mm，长500mm，厚t=2mm，铺层[±45]₄s，单层E₁=140GPa，E₂=8GPa，ν₁₂=0.3，G₁₂=4GPa。试求轴向屈曲载荷N_cr（简化为无限长壳，用经典公式）。解：对于±45°层合壳，等效剪切刚度主导，屈曲载荷N_cr=2πR·(D₁₁D₂₂–D₁₂²)^(1/2)/R²先算等效D矩阵：θ=45°，m=cosθ=sinθ=0.707Q̄₁₁=46.9GPa（同29题）Q̄₂₂=46.9GPa，Q̄₁₂=34.9GPa，Q̄₆₆=32.9GPaD₁₁=Σ(Q̄₁₁)_k·t_k·z_k²，对称8层，z_k=±0.125/2,±0.375/2…经数值求和得D₁₁=0.292N·mm，D₂₂=0.292N·mm，D₁₂=0.218N·mmN_cr=2π×250×√(0.292²–0.218²)/250²=0.0024N/mm=2.4kN/m总载荷=N_cr×2πR=2.4×2π×0.25=3.77kN答案：N_cr=3.8kN（轴向总载荷）。32.（11分）某T300/环氧层合板疲劳寿命服从Basquin模型：σ_max=σ₀(N_f)^b，其中σ₀=2.1GPa，b=–0.095。若设计寿命要求N_f=2×10⁶次，求允许最大应力水平σ_max；若实际载荷谱块包含σ₁=600MPa占70%，σ₂=800MPa占30%，用Miner累积损伤理论估算寿命。解：(1)σ_max=2.1×10³×(2×10⁶)^(–0.095)=2.1×10³×0.456=958MPa(2)Miner：D=Σn_i/N_iN₁=(600/2100)^(1/–0.095)=1.02×10⁷N₂=(800/2100)^(1/–0.095)=1.45×10⁵每块谱损伤D_block=0.7/N₁+0.3/N₂=6.86×10⁻⁸+2.07×10⁻⁶=2.14×10⁻⁶寿命=1/D_block=4.67×10⁵块对应循环次数=4.67×10⁵×1=4.67×10⁵次答案：设计允许σ_max=958MPa；Miner估算寿命≈4.7×10⁵次。六、综合应用题（共30分）33.（30分）某无人机机翼蒙皮采用CF/EP层合板，设计载荷：弯曲矩M_x=3kN·m/m，剪力Q_y=15kN/m，限制应变<4000με。已知单层t₀=0.15mm，E₁=140GPa，E₂=8GPa，ν₁₂=0.3，G₁₂=4GPa，许用应变：拉伸4000με，压缩3500με，剪切5000με。任务：(1)建立极限应变设计准则；(2)初选铺层比例，使面内弯曲刚度满足M_x下最大应变<3500με；(3)用经典层合理论验证[0/45/