复合材料力学整理

基本概念：

1、单层复合材料的宏观均匀性、宏观正交各向异性的意义；简述复合材料的工艺特点、生产流程。

宏观均匀性：材料内任意一点处的宏观物理特性都完全相同

宏观正交各向异性：材料具有两个正交弹性对称面，且材料中同一点处沿不同方向的力学性能不同

工艺特点：

a.材料制造和构件成型同时完成，一般情况下，复合材料的生产过程也就是构件的成型过程，材料的性能必须根据构件的使用要求进行设计，因此在选择材料、设计配比、确定纤维铺层和成型方法时，都必须满足构件的物化性能、结构形状和外观质量要求等；

b.成型工艺灵活简单，可用模具一次成型法来制造各种构件。

常用的成型方法主要有：手糊成型、喷射成型、缠绕成型、层压成型、拉挤、RTM等方法。

生产流程：复合材料的生产流程主要有四个步骤：润湿/浸渍、铺层、叠层、固化

a、 润湿/浸渍：纤维和树脂混合形成薄层；

b、 铺层：按设计角度和位置铺设纤维布或预浸料；

c、 叠层：使每层预浸料或薄层之间紧密结合，排出气泡

d、 固化：可在真空或压力辅助下进行，固化时间越短，工艺的生产效率越高。

2、复合材料的基本概念，种类，优缺点；

基本概念：是由两种或者多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料，一般复合材料的性能优于组分材料，并且有些性能是原来组分材料所没有的，复合材料改善了组分材料的刚度、强度、热学等性能。

种类：根据复合材料中增强材料的几何形状，复合材料分为：

a、 颗粒复合材料，由颗粒增强材料和基体组成；

b、 纤维增强复合材料，由纤维和基体组成；

c、 层合复合材料，由多种片状材料层合而成

优缺点：p16、p17

3、简述复合材料飞机雷达罩的性能要求以及基本组成结构和制造方法。

a、性能要求：透波、维持飞机整体空气动力学外形、减小阻力、保护雷达天线；

b、组成结构：胶结泡沫板、充气式结构、螺接翼缘的实体薄板、金属空间骨架、薄蒙皮、螺栓连接的蜂窝夹层板

c、制造方法：真空袋模压法、高压釜模压法、常用袋模压法、纤维缠绕法、RTM方法等。

214、已知碳/环氧单层材料，E1=12.0*104，E2=4.0*104MPA，

0.27,G121.80104Mpa，

受有应力1100Mpa,230Mpa,1210Mpa，求应变1,2,12

5、（1）已知玻璃/环氧单向复合材料玻璃纤维

f2.5g/cm3Ef7.0104Mpa,f0.22，密度

，环氧

Em3.5104Mpa,m0.35M1.21g/cm3m，密度，纤维重量含量f为0.7，

用细观力学的串联模型计算E1,E2,21p216；

（）简要说明串联模型计算E2,G2存在误差的主要原因。p216-218

6、证明：1、对称层合板无拉弯耦合,p99；正规对称正交层合板无拉剪耦合p101,

2、反对称角铺设及正交铺设层合板分别存在拉扭和拉弯耦合p103

7、⑴简述层合板

Aij,Bij,Dij，各刚度系数的意义；p95

（0/45/45/90）s为准各答：⑵叙述何种层合板为准各向同性层合板，并证明对称层合板

向同性层合板。

① 面内各方向刚度相同的对称层合板称为准各向同性层合板，其充要条件是：

A16A260,A11A22,A66A11A22/2

② 证明：

8、试分析层合板层间应力

z,xz,yz的产生原因（p123，129），层合板铺设时可利用

哪些方法减小层间应力，简述可用哪些方法克服传统层合复合材料的层间强度低的缺点。

答：①层间应力的形成：在横向载荷作用下是由于横向剪切内力的存在，而在层压板的自由边界由于各铺层的泊松耦合系数或拉剪耦合系数不同在自由边界处形成一个三维应力状态的边界层区，在这一边界层区域存在层间应力

z,xz,yz

②减小层间应力：

⑴使各定向铺层尽量沿层压板厚度方向均匀分布，使层压板的铺层组数尽量多，每组铺层数尽量少，一般不超过4层；

⑵铺层角度间隔小，如采用0/45/90/-45/0而不采用0/90/45/-45/0的铺层顺序；

⑶对于x向受拉伸的层压板，尽量使泊松耦合系数小的铺层放在外层，而将泊松耦合系数大的铺层放在里层（对于x向受压缩的层压板正好相反）

③克服传统复合材料层间强度低的缺点的方法：

⑴采用三维编织或缝合的织物复合材料；

⑵改变层合板铺设顺序及角度；

⑶用边界带帽、缝补或加厚粘胶层等方法来增强自由边界以提高层间强度。

9、写出计算层合板极限强度的全量法和增量法的流程图，简述二者的区别以及某层失效时的刚度折减方法。

答：⑵二者的区别：增量法认为层合板失效过程的本构关系为增量关系。全量法以全量形式建立失效本构关系，直接代入强度理论，计算时要考虑各层失效顺序，一旦失效层刚度退化其强度直接按退化后的层压板计算，而无需考虑失效时的各层应力，故全量较为近似，但比增量法简便。

⑶某层失效时的刚度折减方法：

一般对失效层退化按如下假定处理： 若1x,2Y,则Q22Q16Q660 若1x,则Q11Q22Q12Q660 若12s,则Q660

且失效层退化后整个层压板仍按经典层压板理论计算刚度。

10、无对称轴：21个，有一个对称角：13个，正交各向异性材料：9个，三个正交的弹性主轴：9个，横观各向同性材料：5个，各向同性材料：2个

11、证明：⑴三层正规对称角铺设层合板具有最大的拉剪耦合；p102

⑵两层反对称正交铺设层合板具有最大的拉弯耦合；p103

12、根据复合材料工字梁结构的承力形式，结合单层板的铺设方法，对工字梁进行铺层设计，画出相应的铺层结构图

13、对一轻型或无人驾驶飞机（小型）的全复合材料机翼进行简单的结构设计，画出结构布置图，可用材料：单向布，双向布，泡沫夹层等。

60Mpa,xy20Mpa14、已知某复合材料单层板在偏轴向30受应力x160Mpa，y，

其材料强度X1000Mpa,Y100Mpa,S40Mpa。试用Hill-蔡强度理论判断其强度。

15、已知某复合材料单层板在偏轴向45受应力x80Mpa，其材料强度

X1000Mpa,Y100Mpa,S40Mpa。试用最大应力理论和Hill-蔡强度理论判断其强度。若该

单层板失效，简述失效原因和失效形式。

16、为何用短梁三点弯曲实验测试复合材料的层间剪切强度？p73为何用45铺层试件偏轴拉伸测试面内剪切性能？预计试验件实验时的破坏形式。

答：层间剪切强度是指复合材料抵抗外界水平剪切力的最大能力

16、与各向同性材料相比，正交各向异性单层材料在强度上有什么特点。P56

答：⑴对于各向同性材料，各强度理论中所指的最大应力和线应变是材料的主应力和主应变；但对于各向异性材料，由于最大作用应力并不一定对应材料的危险状态，所以与材料方向无关的最大值已无意义，而材料主方向的应力是重要的，由于各主方向强度不同，因此最大作用应力不一定是控制设计的应力；

⑵若材料在拉伸和压缩时具有相同的强度，则正交各向异性单层材料的基本强度有三个，

X——轴向或纵向强度（沿材料主方向1）

Y——横向强度（沿材料主方向2）

S——剪切强度（沿1-2平面）

在确定单层材料强度时可不考虑主应力；因此正交各向异性材料中的强度是应力方向的函数，而各向同性材料中的强度与应力方向无关；

若材料的拉伸和压缩性能不同（对于大多数纤维增强复合材料），则基本强度有5个：

Xt——纵向拉伸强度；

Xc——纵向压缩强度；

Yt——横向拉伸强度；

Yc——横向压缩强度；

S——剪切强度；

它们分别由材料单向受力实验测定

⑶正交各向异性材料在材料主方向上的拉伸和压缩强度一般是不同的，但在主方向上的剪切强度（不管剪应力是正还是负）都具有相同的最大值，但是在非材料主方向上剪应力最大值依赖于剪应力的方向。

17、铺层表示方法

18、复合材料的构件成型完全不同于传统金属构件的制造。复合材料构件的制造是材料形成与构件成型同时完成，构件性能和制造工艺紧密相关，即构件的质量在较大程度上依赖于制造技术，同时要求纤维尽可能不被切断，因此应根据复合材料这一特点，应用整体成型技术和研究新的制造技术，当然，纤维增强复合材料也不例外，而不同纤维和不同基造的复合材料的方法差别很大，这里介绍集中典型复合材料的制造方法，如碳纤维增强，金属基复合材料一般制造方法有：扩散结合法，熔融金属渗透法，连续铸造法，等离子喷涂法等；玻璃纤维环氧复合材料可通过不同成型方法得到各种制品，其中有，手糊

方法、喷射成型、缠绕方法、层压法等，而碳纤维增强环氧复合材料主要是用预浸料制造方法。

19、复合材料成型工艺：

⑴手糊成型工艺；⑵RTM技术（树脂传递模塑成型）；⑶热压罐成型技术；⑷喷射成型工艺；

⑸袋压法；⑹层压成型法；⑺挤压成型法；⑻注射成型法；⑼模压成型法