复合材料的力学行为-清华大学.ppt
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复合材料的力学行为-清华大学.ppt
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,返回主目录,复合材料的力学行为,第12章,什么是复合材料,纤维的增强效应,结论与讨论,复合材料的主要特点,复合材料的应用,纤维增强复合材料的弹性模量,什么是复合材料,不同方向上具有相同的宏观力学性能,诸如:
弹性常数、强度指标、韧性指标等等。
不同方向上具有不同的宏观力学性能,诸如:
弹性常数、强度指标、韧性指标等等。
复合材料(CompositeMaterials),两种或两种以上互不相溶(熔)的材料以一定的比例和一定的方式组合成一种新型的材料。
球墨铸铁,电缆,纤维增强复合材料(FilamentReinforcedCompositeMaterials)由基体与纤维复合而成,相(Phase)复合材料中每一独立的组成部分,基体(Matrix)韧性好,强度较低,金属基:
铝合金、镁合金、钛合金非金属基:
酚醛树脂、环氧树脂、碳,纤维(FibreFilament)强度高、韧性较低,碳纤维(CarbonFibre)芳伦纤维(KevlarFibre)蜘蛛丝纤维(CobwebFibre)硼纤维(BoronFibre)玻璃纤维(GlassFibre)钢纤维(SteelFibre),复合材料的主要特点,高的比强度(强度:
重度)与比刚度(模量:
重度),碳纤维T300/环氧树脂5208比强度是铝的6.3倍,比刚度是铝的4.16倍。
二者相对于基体(环氧树脂5208)则分别是30倍和60倍。
对于蜘蛛丝纤维复合材料在基体相同的前提下,其比强度是钢纤维复合材料的10倍。
良好的抗振性(减振性),比刚度大,固有频率高;多相材料,内阻(内摩擦),衰减快。
轻金属合金9秒,碳纤维复合材料2.5秒,优良的高低温性能,耐高温、抗烧蚀:
碳/碳复合材料,工作温度3000,热膨胀系数小:
碳/环氧树脂复合材料,0,E值很高。
铝合金400,E0,破损安全性好,电绝缘性;电磁波穿透性;耐磨;抗冲击性。
特殊性能,高的比强度(强度:
重度)与比刚度(模量:
重度),良好的抗振性(减振性),优良的高低温性能,破损安全性好,电绝缘性;电磁波穿透性;耐磨;抗冲击性。
特殊性能,复合材料的应用,建筑物:
钢纤维混凝土,球墨铸铁暖气片,航空、航天:
EF2000,航天飞机,陶瓷发动机:
耐高温,燃烧更充分,节省能源,减少污染;耐磨,汽车工业(传动轴等)(2000年占70),汽车钣簧重量轻、减震性能好,高速铁路机车,流线型车头玻璃钢,车体结构玻璃钢、耐水胶合板、铝板夹层,替代钢筋的复合材料筋,其它方面的应用,其它方面的应用,纤维增强复合材料的弹性模量,第12章复合材料的力学行为,平行于纤维方向,垂直于纤维方向,平行于纤维方向,纤维单向铺层(单层)复合材料,Em,Ef,对于确定的复合材料,求E;,设计复合材料:
根据工程对刚度的要求(E),选用何种基体与纤维,并确定二者的比例。
问题,?
模型,平衡方程,变形协调方程,物性关系方程,超静定分析方法,结果,上述方程联立解出FNmFNf,进而得到,改写成,结果,A复合材料横截面的总面积,Ex复合材料平行于纤维方向的弹性模量横截面的总面积,结果,纤维所占体积比,基体所占体积比,复合材料平行于纤维方向的复合弹性模量,垂直于纤维方向的弹性模量,模型,EmAm,EfAf,Ey=?
这些问题请同学们自己去解决,串联模型是静定的还是超静定的?
总伸长怎样确定?
问题的性质与分析方法,垂直于纤维方向的复合弹性模量表达式与哪些量有关?
结果,纤维的增强效应,第12章复合材料的力学行为,名义应力与实际应力,增强效应,名义应力与实际应力,纤维受力,基体受力,基体实际应力,纤维实际应力,复合材料总体的名义应力,或者写成,增强效应,增强效应与纤维和基体的应力应变关系有关,基体的强度极限,纤维的极限应变值,纤维的强度极限,基体中相应的应力值,例题,纤维钨丝,强度极限2069MPa;钨丝的极限应变值0.15,基体铜,强度极限207MPa;铜中相应于钨丝强度极限的应力值55.2MPa;,钨丝的体积比Vf=35%.,求:
复合材料的强度极限,例题,fb=2069MPa;fb=0.15时,基体中的应力值:
(m)fb=55.2MpaVf=35%,对于具有明显屈服平台的基体材料,如果基体中与纤维极限应变对应的应力值等于基体的屈服强度,则复合材料的强度极限为:
结论与讨论,第12章复合材料的力学行为,复合材料是可以设计的,复合材料与各向同性材料比较,沿轴弹性模量与离轴模量,耦合剪应变,简化模型的近似性,复合材料是可以设计的,选择基体与纤维;选择合适的体积比.,以单向铺层纤维增强复合材料为例,复合材料与各向同性材料比较,各向同性材料弹性常数E、G、其中只有两个是独立的,这5个弹性常数中有几个是独立的呢?
Ex,yx,Gxy,Ey,xy,沿轴弹性模量与离轴模量,耦合剪应变,?
没有切应力怎么会有切应变?
简化模型的近似性,?
考虑两相材料横向变形的相互作用:
Ex的数值偏大还是偏小,本章作业,121,122,123,124。
谢谢大家!
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