71 复合材料力学性能的复合规律-1.ppt_第1页
71 复合材料力学性能的复合规律-1.ppt_第2页
71 复合材料力学性能的复合规律-1.ppt_第3页
71 复合材料力学性能的复合规律-1.ppt_第4页
71 复合材料力学性能的复合规律-1.ppt_第5页
已阅读5页,还剩41页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

1、7 复合材料力学性能的复合规律,材料的微观组织 体积分数 形状、分散程度 几何学特征,原材料的性能 力学性能 物理性能 界面的状态,复合材料的 基本理论,复合材料的 整体性能,复合材料理论与组织、性能之间的关系,复合材料力学性能的复合规律,7.0 绪论 7.1 连续纤维增强复合材料的力学复合 7.2 短纤维增强复合材料的力学复合关系 7.3 粒子复合材料的力学性能 7.4 复合材料力学复合的其他问题,0 绪论,复合材料力学性能复合规律研究的意义: 通过研究复合材料在外力作用下的变形、受力和破坏规律,为合理设计复合材料构件提供有关强度、刚度和稳定性分析的基本理论和方法 纤维按形态可分为:连续纤维

2、、非连续纤维(短纤维)或晶须 由纤维和基体组成一种铺层(或称单层),并以不同方向层合而成的一种多向层合板(如果同一种铺层都处于同一方向称为单向层合板),复合材料力学:宏观力学、细观力学和微观力学 宏观力学研究的对象是叠层复合材料中的单层板或是复合材料组成的各种构件,尺寸远大于单个分散相的尺寸 ; 细观力学研究的尺度为纤维或颗粒直径为特征尺寸; 微观力学研究的尺度可以是晶粒、原纤,甚至小到分子、晶胞和原子,细观力学把复合材料看成是两种或两种以上性质不同的单相材料组成的多相非均匀体系,并且研究各组分的形态、含量、配置、相互作用以及缺陷等对复合材料力学性能的影响,研究材料在受力条件下的变形和破坏机理

3、 细观力学:是依据增强体和基体性能及相互作用来了解复合材料的特性,用近似的模型来模拟复合材料的细观结构,然后根据复合材料组分的性能来预测材料的平均性能,细观力学可用两种方法处理: “材料力学”预测复合材料简化模型的行为: 在最简单的细观模型中,增强体:均匀、线弹性、间隔相等、排列整齐及几何形态相等;基体:均匀、线弹性和各向同性;界面:完整的,没有空隙或脱粘情况存在 “弹性理论”求上下限、特殊情况的精确解 共同特点:以复合材料的组分特性来确定复合材料的弹性模量和强度,应力的定义:,正应力 剪应力(剪应力相等),应变的定义,位移场,作为单向纤维复合材料,其主弹性常数为: E1纵向弹性模量 E2横向

4、弹性模量 12 主泊松比(纤维方向拉伸引起横向的收缩比) G12面内剪切模量 而材料的主强度值为: 1u 纵向强度(拉伸和压缩) 2u横向强度(拉伸和压缩) 12u 剪切强度,7.1 连续纤维增强复合材料的力学复合,7.1.1 单向板的力学性能 7.1.2 面内随机分布长纤维单层板的弹性性能,7.1.1 单向板的力学性能,*7.1.1.1 材料力学法分析单向板的弹性性能 7.1.1.2 材料力学法预测E1、E2的修正 7.1.1.3 弹性理论法分析单向板的弹性性能 7.1.1.4 材料力学法分析单向板的强度性能 7.1.1.5 单向板断裂韧性的一般概念,7.1.1.1 材料力学法分析单向板的弹

5、性性能,体积元,模型,简化二维元,单向层板的模型及典型体积元,1、单向板的纵向弹性模量E1,并联模型,即复合材料的终应变1、基体应变1m、纤维应变 1f相等。对应的应力分别为1、m、f,相应的弹性模量分别为E1、 Em 、Ef,则有:,并联模型,1=E11 m=Em 1m f= Ef1f 外加应力作用在由纤维横截面积Af和基体横截面积Am组成的复合材料横截面积A上,由于纤维和基体平行地承受应力,所以有 1A= f Af+ m Am 若复合材料纤维体积含量为Vf,基体体积含量为Vm,则:,Vf=Af/A Vm=Am/A Vf+Vm=1 则代入1A= f Af+ m Am得 1= f Vf+ m

6、Vm 由= E得 E1= Ef Vf+ Em Vm 或 E1= Ef Vf+ Em (1-Vf),混合定律,碳纤维/环氧树脂复合材料,Ef=180GPa,Vf=0.548,Em=3000MPa时,算得E1=1105MPa 拉伸实测值为103860MPa,与预测值差别较小 注:因为不同泊松收缩(m f )导致了附加应力,而这一假定并非严格成立,但是,经实验证实,误差可小于1%2%,在允许范围内,见图7.3.,讨论:复合材料在受轴向力时,基体和纤维所承受的载荷大小与它们的模量和体积分数有关: 纤维承受的载荷占总载荷的比例为:,作业:,请推导复合材料单向板受轴向载荷时,纤维承受的载荷占总载荷的比例公

7、式,并计算Vf=0.5的单向板,当Ef/Em分别为0.1、1、10、50时,纤维承担的载荷所占的比例分别为多少?,2、单向板的横向弹性模量E2,由图知,可看作纤维与基体的串联模型,则 2= 2f = 2m 所以纤维、基体和复合材料的应变分别为: f= 2/Ef m= 2/Em m= 2/E2,串联模型,由于变形是在宽度W上产生的,所以变形增量为: W=Wf+Wm 又W/W 所以: 2W= f(VfW)+ m(VmW) 所以,注:在典型的纤维体积含量为5060的复合材料中,基体对E1(纵向弹性模量)有很小的影响;纤维对E2(横向弹性模量)有很小的影响,所以可得近似式: E1 Ef Vf E2 E

8、m/ Vm,3、单向板的主泊松比12 定义:只有在轴向外加应力1时: 12=- 2/1,横向变形的增量: W=Wf+Wm 或 2W= -f 1f(VfW)- m 1m(VmW) 又在纵向应变相等,12= fVf+ mVm,混合定律,作业,纤维体积分数为40%的单向聚酯基复合材料在平行于纤维方向承受100MPa应力,如果纤维和基体的拉伸模量Ef和Em分别为75GPa和5GPa,泊松比f和m分别为0.21和0.35,计算复合材料的轴向和横向应变。,补充:主、次泊松比的关系,12,4、单层板的面内剪切模量G12 典型体积元所承受的外加剪切应力和所产生的变形如图所示,假定: =f=m 且复合材料的剪切

9、特性是线性的,则总剪切变形D=W :复合材料的剪切应变; W:试样宽度,D=Df+Dm 或W= f(VfW)+ m(VmW) 又 剪切应力相等,所以 m= /Gm f= /Gf = /G12 把此式再代入上式W= f(VfW)+ m(VmW) , 可得到,注:因为Gm与Gf相比非常小,所以在Vf为0.50.6范围内的复合材料, Gm对G12是主要的。,7.1.1.2 材料力学法预测E1、E2的修正 纵向泊松的修正公式:对E1= Ef Vf+ Em Vm修正为:,其中m为基体的泊松比,横向泊松的修正公式:对 修正为,或:,其中:,7.1.1.3 弹性理论法分析单向板的弹性性能,是对层合板结构的有

10、效设计的基础,但这些方程对纤维周围的应力-应变分布几乎没有物理认识,如应力相等及各相应变均匀的假设都不真实。,单向层板在承受横向载荷时应变放大示意图,非均匀的应力分布,如图表示一均匀外加应变的复合材料理想六边形排列的纤维结构阵列,因为EfEm,所以薄切片xx中的大部分应变由树脂承担;而yy中的应变远小于xx中树脂的应变,称为树脂有应变放大,纤维在基体内的应变非均匀分布,Kies利用最简单的纤维按正方形阵列分布的模型,如图:,Kies计算应变放大率的正方形阵列分布模型,平均拉伸应变:x,树脂中沿AB线的应变放大率:x,两者的比值为:,R=S/2+r,x,y,玻璃纤维/聚酯体系的应变放大率,由图知

11、:当Vf较大时,应变放大率也较大,作业:,如图所示单向复合材料中纤维按照正方形排列,纤维直径为10 m,Vf=0.60, Ef=80 GPa, Em=3GPa,当受x方向载荷时,求基体在x方向局部应变m与复合材料平均应变c的比值。,确定复合材料单向板弹性常数的弹性理论方法基于各种模型和能量平衡法。 (1)能量法确定单向板的弹性常数近似解 可求得纵向模量E1下界: 上界:,其中:,(2)直接法确定单向板的弹性常数精确,基础:使用弹性基体内嵌有弹性物的典型模型来求解。,典型复合 材料模型,邻接度:用修正规则排列的分析方法来考虑纤维之间的接近程度,用系数c来表示。C可从01之间变化,c由实验确定。,纤维孤立树脂连续,纤维连续树脂孤立,实际纤维排列,纤维分布的邻接概念,注:邻接度对E2和G12的影响比对E1的影响要大,Halpin和Tsai利用简化的方法,提出了复合材料的弹性性能的预测方程: E1= Ef Vf+ Em (1-Vf) 12= fVf+ m (1-Vf),Mc:复合材料的E2、G12、 21 Mf:纤维的

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论