復合材料力學（第二版）內容簡介

復合材料力學是固體力學的一個新興分支，它研究由兩種或多種不同性能的材料，在宏觀尺度上組成的多相固體材料，即復合材料的力學問題。復合材料具有明顯的非均勻性和各向異性性質，這是復合材料力學的重要特點。本書系統(tǒng)講述復合材料力學基礎理論，以及相關的分析計算方法。內容包括：單向復合材料的剛度和強度分析，層合板的剛度和強度分析，殘余應力，彎曲和屈曲，若干強度專題，優(yōu)化設計，等。本書內容完整精煉，注重基礎，難易適中。各知識點配有精選例題，以及豐富的練習題和參考解答，便于教學和自學，適于高校力學、材料、航空航天、土木、船海等專業(yè)的教學用書，也可作為工程技術人員的自學用書。本書除保留了注重基礎、突出重點、簡明實用等特點外，還融入了筆者多年教學經驗，在內容上做了較大的調整和補充，適用范圍更寬。全書針對各知識點編有示范性例題，并配有豐富的練習題以及參考解答，以引導讀者進行有針對性的練習，加深對基本理論和方法的認識，改變常見的面對具體問題難以下手的狀況，提升學習效果。

第1章復合材料概述(1)

1.1復合材料的基本概念(1)

1.2復合材料的種類(2)

1.3復合材料的構造及制法(3)

1.4復合材料的增強相和基體相(7)

1.5常用的增強纖維(8)

1.6常用的高分子基體材料(10)

1.7復合材料的性能和應用(11)

習題(17)

第2章單向復合材料的剛度分析(18)

2.1正交各向異性材料的應力應變關系(18)

2.2單向復合材料任意方向的應力應變關系(21)

2.3拉剪耦合效應(25)

2.4工程彈性常數(shù)及其變換(27)

2.5彈性常數(shù)取值范圍的限制條件(30)

2.6單層板彈性性能的分析和預測(30)

習題(37)

第3章單向復合材料的強度準則(40)

3.1正交各向異性材料的強度指標(40)

3.2強度準則(41)

3.3正剪切和負剪切(47)

3.4強度準則的選取原則(49)

3.5單向復合材料力學性能的試驗測定(49)

3.6復合材料單層板強度分析的細觀力學方法(55)

3.7短纖維復合材料的載荷傳遞理論(58)

習題(61)

第4章層合板的剛度分析(63)

4.1薄板變形假設(63)

4.2層合板本構關系的推導(64)

4.3反對稱層合板與拉彎耦合(66)

4.4對稱層合板(69)

4.5層合板的主軸(73)

4.6準各向同性板(73)

4.7層合板的工程彈性常數(shù)(74)

4.8層合板的柔度計算(80)

習題(83)

第5章層合板的強度分析和計算方法(85)

5.1層合板的應力與強度分析(85)

5.2層合板的破壞形態(tài)(86)

5.3首層破壞強度(87)

5.4最終層破壞強度(92)

5.5預測層合板極限強度的其他方法(99)

5.6層間應力與分層破壞(100)

習題(103)

第6章層合板殘余應力分析(104)

6.1單層板的殘余熱應力及熱膨脹系數(shù)(104)

6.2層合板考慮熱變形的本構方程(105)

6.3正交層合板的熱應力和熱變形(109)

6.4層合板殘余應力計算和強度分析(111)

6.5吸濕變形與熱變形的相似性(115)

習題(120)

第7章層合板的彎曲和屈曲(121)

7.1彎曲基本方程(121)

7.2彎曲變形求解方法(122)

7.3減小板的彎曲變形的方法(128)

7.4層合板的屈曲(129)

7.5層合梁的分析計算(133)

習題(135)

第8章若干強度專題(137)

8.1復合材料與斷裂力學(137)

8.2各向異性板的線彈性斷裂力學(138)

8.3層間斷裂(143)

8.4層間疲勞裂紋擴展(146)

8.5層合板的其他破壞形式(148)

8.6帶孔層合板的應力和強度分析(149)

8.7復合材料的連接(153)

習題(155)

第9章復合材料的優(yōu)化設計(156)

9.1材料與結構的優(yōu)化設計(156)

9.2夾心梁單元模型(157)

9.3面內加載層合板的剛度設計(158)

9.4面內加載層合板的最大強度設計(161)

9.5層合板彎曲剛度設計(163)

9.6最大屈曲強度設計(165)

習題(166)

第10章復合材料結構的有限元分析(167)

10.1有限元法(167)

10.2復合材料結構有限元分析步驟(167)

10.3復合材料結構的變形和應力分析(169)

10.4復合材料結構強度分析(170)

10.5復合材料結構應力集中問題(173)

習題(175)

附錄A各向異性材料三維彈性理論(176)

A.1應力應變關系(176)

A.2具有一個彈性對稱平面的材料(177)

A.3正交各向異性(178)

A.4橫觀各向同性(178)

A.5各向同性(179)

A.6正交各向異性材料的工程彈性常數(shù)(180)

A.7面外剪切變形(181)

附錄B部分習題解答(184)

參考文獻(219)2100433B

《復合材料力學基礎》闡述了復合材料力學基礎、復合材料宏觀力學基本理論和分析方法。其主要內容包括復合材料概述，變形體幾何分析、基本守恒原理，線彈性各向異性彈性力學本構方程，復合材料單層板理論，復合材料單層板強度理論，復合材料層合板理論以及復合材料層合板彎曲、屈曲和振動等。

《復合材料力學基礎》可供高等學校力學及相關專業(yè)本科生、研究生復合材料力學課程作為教材使用，也可供有關科技人員學習參考。

復合材料力學的研究可分為微觀力學（細觀力學）和宏觀力學。

復合材料力學微觀力學

復合材料微觀力學也稱復合材料細觀力學，是從微觀角度研究復合材料組分之間的相互影響，以此預測復合材料的宏觀力學性能，為材料的設計、制造提供依據(jù)。微觀力學分析對象是從復合材料中取出一個代表性的體積單元，它不能是通常的無限小的單元體，而是必須能夠代表復合材料的細觀結構，因而足以用它表征復合材料的基本性能。如研究單向增強纖維復合材料的彈性時，最簡單的是取如圖所示的代表性體積單元。根據(jù)指定荷載及單元相應的邊界條件，用材料力學或彈性力學等方法求解邊值問題，以求出復合材料的彈性模量和強度。微觀力學考慮了各組分的含量、幾何形態(tài)及組分的力學性質，以期提供有實用價值的結果。微觀力學研究單向增強的復合材料軸向壓縮強度時，采用纖維受壓曲屈而基體提供的橫向彈性支承的力學模型。在研究這種材料的軸向拉伸強度時，考慮到這時荷載主要由纖維承擔，部分纖維斷裂后，由于纖維與基體界面性能，基體屈服應力等不同情況，復合材料內部將出現(xiàn)多種可能的裂紋擴展形成，而呈現(xiàn)不同的強度。單向增強復合材料的軸向拉伸強度，取決于組分材料的力學性質、含量、纖維排列布置的幾何形態(tài)，纖維與基體間界面的性能等許多因素。用微觀力學研究復合材料強度的工作，還在深入進行中。

復合材料力學宏觀力學

宏觀力學也稱粗觀力學，只考慮復合材料的平均表觀性能而不詳細討論各組分間的相互作用。如對纖維復合材料簡單層板，通常將其看成是均質各向異性體，通過實測或應用微觀力學得出它的宏觀性能。由許多個這樣的單層粘合而成層合板，用結構力學方法分析層合板在荷載作用下拉伸、彎曲、振動、屈曲等問題。宏觀力學中分析層合板的強度，是通過單層的破壞準則，結合層合板的層間應力及層間粘合性能，并計入加工成型(固化)中的變溫應力，逐步確定全板的破壞過程及最終破壞。

在工程上普遍應用的簡單層板宏觀強度理論有三種：①蔡-希爾理論。把均質各向異性材料的廣義屈服條件應用到復合材料簡單層板。②霍夫曼理論。是在蔡－希爾理論的基礎上考慮了復合材料拉壓強度不同的特性。③蔡－吳張量理論。其破壞準則是應力張量的多項式。所有這些理論的破壞準則是以材料主方向的宏觀拉伸、壓縮、剪切等宏觀強度（基本強度）表達其中的參數(shù)而寫成的表達式。宏觀強度理論沒有解釋材料破壞的微觀物理機理。

同常規(guī)材料的力學理論相比，復合材料力學涉及的范圍更廣，研究的課題更多。

首先，常規(guī)材料存在的力學問題，如結構在外力作用下的強度、剛度，穩(wěn)定性和振動等問題，在復合材料中依然存在，但由于復合材料有不均勻和各向異性的特點，以及由于組分材料幾何(各組分材料的形狀、分布、含量)和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪層方向、鋪層順序)等方面可變因素的增多，上述力學問題在復合材料力學中都必須重新研究，以確定那些適用于常規(guī)材料的力學理論、方法、方程、公式等是否仍適用于復合材料，如果不適用，應怎樣修正。

其次，復合材料中還有許多常規(guī)材料中不存在的力學問題，如層間應力(層間正應力和剪應力耦合會引起復雜的斷裂和脫層現(xiàn)象)、邊界效應以及纖維脫膠、纖維斷裂、基體開裂等問題。

最后，復合材料的材料設計和結構設計是同時進行的，因而在復合材料的材料設計(如材料選取和組合方式的確定)、加工工藝過程(如材料鋪層、加溫固化)和結構設計過程中都存在力學問題。

當前，復合材料力學的研究工作主要集中在纖維增強復合材料多向層板殼結構的改進和應用上。這種結構是由許多不同方向的單向層材料疊合粘結而成的，因此叫作多向層材料結構。單向層材料中沿纖維的方向稱為縱向；而在單向層材料子面內垂直于纖維的方向稱為橫向。

縱向和橫向統(tǒng)稱為主軸方向。單向層材料是正交各向異性材料，對它的力學研究以及對它的性能參量的了解乃是對多向層材料以及多向層板層殼結構進行力學研究的基礎。多向層材料中各單向層材料的纖維方向一般是不同的。如何排列這些單向層材料要根據(jù)結構設計的力學要求進行。