復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)

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1、復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)(1)第一章緒論定義：根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織為復(fù)合材料所下的定義，復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組成的一種多相固體材料。連續(xù)體：基體分散體：增強(qiáng)材料兩相之間存在界面相復(fù)合材料的分類按增強(qiáng)相材料形態(tài)分類連續(xù)纖維復(fù)合材料短纖維復(fù)合材料晶須增強(qiáng)復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料編織復(fù)合材料按纖維種類分類玻璃纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料有機(jī)纖維復(fù)合材料金屬纖維復(fù)合材料（鎢絲、不銹鋼絲）陶瓷纖維復(fù)合材料（硼纖維、碳化硅纖維）混雜纖維復(fù)合材料（兩種以上纖維）按基體材料分類聚合物基復(fù)合材料（熱固性、熱塑性樹脂）金屬基復(fù)合材料（鋁、鈦、鎂）無機(jī)非金

2、屬基復(fù)合材料（陶瓷、水泥）碳碳復(fù)合材料按材料作用分類結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（衛(wèi)星承力筒）功能復(fù)合材料（導(dǎo)電、換能、防熱）復(fù)合材料的基本特點(diǎn)共同特點(diǎn)：可綜合發(fā)揮各種組成材料優(yōu)點(diǎn)，使一種材料具有多種功能可按對材料性能需要進(jìn)行材料的設(shè)計(jì)和制造可制成所需要任意形狀產(chǎn)品，避免多次加工工序一般優(yōu)點(diǎn)：比強(qiáng)度、比剛度、輕質(zhì)、耐疲勞、減震性好、抗沖擊、耐高溫、耐腐蝕等等3Dknittedcompositesforbicyclehelmets(a)cylinderandflange;(b)eggcratestructures;(c)turbinerotorswovenbyTechn

3、iweaveInc.;and(d)various復(fù)合材料性能和損傷破壞規(guī)律取決于組分材料性能微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)合材料本身是非均質(zhì)、各向異性材料，因此復(fù)合材料力學(xué)在經(jīng)典非均勻各向異性彈性力學(xué)基礎(chǔ)上迅速發(fā)展。復(fù)合材料不僅是材料，更確切的說是結(jié)構(gòu)以纖維增強(qiáng)的層合板結(jié)構(gòu)為例，復(fù)合材料設(shè)計(jì)可分為三個(gè)階段：1、單層材料設(shè)計(jì)，選擇增強(qiáng)材料、基體材料、配比關(guān)系2、鋪層設(shè)計(jì)鋪層方案3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、使用環(huán)境分析角度復(fù)合材料具有非均勻性和各向異性特點(diǎn)，這種差別屬于物理方面彈性模量、拉壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)等復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)的核心任務(wù)建立

4、復(fù)合材料宏觀性能同其組分性能及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，并揭示復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在一定工況下的響應(yīng)規(guī)律及其本質(zhì)，為復(fù)合材料優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能評價(jià)提供必要的理論依據(jù)及手段。追溯到19世紀(jì)愛因斯坦關(guān)于兩種不同介電性能的電介質(zhì)組成的復(fù)合電介質(zhì)等效介電常數(shù)預(yù)報(bào)問題。50年代----70年代80年代快速發(fā)展90年代不可缺少參考教程杜善義、王彪《復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)》科學(xué)出版社1997MuraT.Micromechanicsofdefectsinsolids.1987楊衛(wèi)《宏微觀斷裂力學(xué)》國防工業(yè)出版社1995基礎(chǔ)教程《彈性力學(xué)》、《復(fù)合材料力學(xué)》復(fù)合材料有效性能有效彈性模量的

5、影響因素組分材料的彈性常數(shù)基體-各向同性纖維-橫觀各向同性微結(jié)構(gòu)特征夾雜形狀（纖維、顆粒、晶須、孔洞、裂紋）幾何尺寸、分布體積含量等等成熟的細(xì)觀力學(xué)方法Eshelby等效夾雜理論自洽理論（自相似理論）Mori-Tanaka方法（背應(yīng)力法）微分法Hashin變分原理求解上下限方法其他方法復(fù)合材料有效彈性模量定義兩類均勻邊界條件在均勻邊條作用下，除邊界點(diǎn)附近可能有擾動存在，統(tǒng)計(jì)均勻復(fù)合材料應(yīng)力場和應(yīng)變場也是統(tǒng)計(jì)均勻的。即，代表性體積單元內(nèi)場量=復(fù)合材料體積平均值證明式中上標(biāo)0代表復(fù)合材料基體相，r代表復(fù)合材料第r類增強(qiáng)相利用散度定理可以證明復(fù)合材料的應(yīng)變能

6、和余能分別是第二章復(fù)合材料有效性能第一節(jié)Eshelby等效夾雜理論1957年Eshelby在英國皇家學(xué)會會刊發(fā)表了關(guān)于無限大體內(nèi)含有橢球夾雜彈性場問題的文章，證明了在均勻外載作用時(shí)，橢球夾雜內(nèi)部彈性場亦均勻。（橢圓積分形式）2.1Eshelby相變問題將應(yīng)變分解為兩部分根據(jù)虎克定律，彈性體應(yīng)力場擾動應(yīng)變本征應(yīng)變將上式代入平衡方程分布體力問題利用格林函數(shù)方法和高斯定理：格林函數(shù)，表示在x’處沿方向作用單位集中力，點(diǎn)x處產(chǎn)生的位移i分量上述位移對應(yīng)的應(yīng)變場（幾何方程）得到各向同性介質(zhì)橢球體中，存在S是四階Eshelby張量，與材料性能和夾雜形狀有關(guān)，具有橢

7、圓積分形式，并可推廣到各向異性介質(zhì)和本征應(yīng)變不均勻情況。對于特殊形狀夾雜，可以寫出解析表達(dá)式：對于球形夾雜，具有下列形式：2.2等效夾雜原理由于橢球夾雜存在，則假定遠(yuǎn)場受均勻應(yīng)力作用，橢球夾雜內(nèi)場均勻，給定一均勻本征應(yīng)變作業(yè)：求解復(fù)合材料內(nèi)部彈性場第二節(jié)Mori-Tanaka方法1973年MoriandTanaka在研究彌散硬化材料的加工硬化問題時(shí)，提出求解材料內(nèi)部平均盈利的背應(yīng)力法，即Mori-Tanaka方法設(shè)給定復(fù)合材料在其邊界上受到遠(yuǎn)場均勻應(yīng)力場作用復(fù)合材料的體積平均應(yīng)力應(yīng)等于其遠(yuǎn)場作用的均勻應(yīng)力補(bǔ)充方程復(fù)合材料內(nèi)部體平均應(yīng)變場算例：含缺陷纖維

8、復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)預(yù)報(bào)含圓幣型基體裂紋的單向復(fù)合材料，假定定向分布的微裂紋垂直于纖維方向?qū)ⅲ?