《复合材料力学》教学大纲 课程编号 : 课程名称 :复合材料力学/ Mechanics of Composite Materials 学时/学分:32/2 先修课程 :工程力学 适用专业 :复合材料与工程 开课学院(部)、系(教研室):材料科学与工程学院复合材料系 一、课程的性质与任务 复合材料力学是复合材料与工程专业的专业必修课,是为培养复合材料与工程专业高质量专门人才服务的.通过本课程的学习,要使学生获得: 1.复合材料的结构、特点、优点与缺点 2.单层板的刚度与强度 3.单层板的细观力学 4.层合板的刚度与强度 等复合材料力学的基础理论知识,为复合材料结构设计、复合材料产品设计奠定理论基础. 在传授复合材料力学知识的同时,要通过各个教学环节逐步培养学生根据复合材料各向异性、可设计性的特点,初步掌握复合材料设计的基本原理和综合运用所学知识去分析和进行复合材料设计的能力. 二、课程的教学内容、基本要求及学时分配 (一)教学内容 1.复合材料的结构、特点、优点与缺点 复合材料的结构:复合材料的结构层次,单层板的概念,双向板的概念,单层材料设计、层合板设计和结构设计的概念. 复合材料的特点:复合材料的各向异性和非均质性概念,复合材料的可设计性、材料与结构的同一性、结构设计包括材料设计、材料性能对复合工艺的依赖性的概念. 复合材料的优点与缺点:比强度、比模量的定义,疲劳性能、减振性能、破损安全性能、耐化学腐蚀性能、电性能、热性能的特点,复合材料模量、层间性能、性能离散性大等概念. 2.单层的刚度与强度 单层板的正轴刚度:正轴与偏轴的概念,单层板的正轴应力-应变关系,柔度与刚度的定义,柔度、刚度与工程弹性常数的关系. 单层板的偏轴刚度:应力转换和应变转换公式,单层板的偏轴下的应力-应变关系式,应变-应力关系式的确定,偏轴工程弹性常数与正轴弹性常数的转换关系. 单层板的强度:单层板的基本强度的概念,最大应力准则和最大应变准则公式,蔡-希尔(Tasi-Hill)强度准则和霍夫曼(Hoffman)准则强度条件,蔡-吴(Tsai-Wu)张量准则,单层板强度的计算方法. 3.单层板的细观力学 细观力学:复合材料细观力学,复合材料宏观力学的概念,材料力学方法,弹性力学方法、半经验方法的概念. 复合材料的密度和组分材料的含量:体积密度、质量密度的定义及与组分材料含量的关系. 复合材料弹性常数的预测:串联模型的弹性常数,纵向弹性模量、横向弹性模量、泊松比、面内剪切弹性模量的计算,并联模型的弹性常数,纵向弹性模量、横向弹性模量、泊松比、面内剪切弹性模量的计算,组合模型的弹性常数,蔡-韩(Tsai-Hahn)的修正公式. 复合材料基本强度的预测:纵向拉伸强度、纵向压缩强度的概念,正交织物的弹性常数和强度预测,颗粒增强复合材料的弹性模量与强度. 短纤维增强复合材料的细观力学分析:应力传递理论的概念,单向短纤维复合材料的弹性模量和强度,随机取向短纤维增强复合材料的弹性模量和强度,短纤维复合毡增强复合材料的弹性常数和强度. 颗粒增强复合材料的弹性模量与强度:基本概念. 湿、热膨胀系数的细观力学分析:纵向热膨胀系数,横向热膨胀系数,纵向湿膨胀系数,横向湿膨胀系数. 4.层合板的刚度与强度 一般层合板的弹性特性:变形分析,层合板内力的一般表达式,一般层合板的弹性特性. 单层板的刚度:各向同性单层板,横观各向同性单层板,参考轴与主轴一致的正交异性单层板,参考轴与主轴不一致的正交异性单层板的刚度. 层合板的刚度:各向同性层组成的对称层合板,对称正交铺设层合板,规则对称角铺设层合板,反对称层合板的刚度,平性移轴定理. 层合板的强度:层合板各层的应力-应变分析,强度分析,考虑湿热应变的单层板应力与应变关系,考虑湿热应变的层合板内力与应变关系,层合板的湿热应变,层合板的残余应变和残余应力. (二)基本要求 1.正确理解下列基本概念和它们之间的内在联系: 复合材料的结构层次,单层板,层合板,各向异性和非均质性,可设计性、比强度、比模量,层间性能,正轴与偏轴,柔度与刚度,细观力学方法, 2.正确理解下列公式并能正确运用: 霍夫曼(Hoffman)准则强度条件,蔡-吴(Tsai-Wu)张量准则,单层板强度的计算方法,复合材料弹性常数的蔡-韩(Tsai-Hahn)的修正公式,一般层合板的内力-应变关系,层合板的强度计算. 3.牢固掌握下列公式: 单层板的正轴应力-应变关系,柔度、刚度与工程弹性常数的关系式,最大应力准则和最大应变准则公式,蔡-希尔(Tasi-Hill)强度准则,混和法则,刚度系数的计算公式. 4.熟练运用下列公式和方法: 应力转换和应变转换公式,单层板的偏轴下的应力-应变关系式,应变-应力关系式的确定,偏轴工程弹性常数与正轴弹性常数的转换关系,复合材料弹性常数的预测材料力学方法. 5.会运用材料力学方法预测一些简单复合材料的弹性常数,及进行简单的复合材料力学分析. (三)学时分配 本课程的教学时数为32学时,课内学时分配如下表: 教学环节 课程内容 学时 讲课习题课小计复合材料的结构、特点、优点与缺点 2 2 单层的正轴刚度 2 2 单层的偏轴刚度 2 2 单层的强度 2 2 3 刚度的材料力学方法 2 2 刚度的强性力学方法 2 2 强度的材料力学方法 2 2 短纤维增强复合材料的细观力学 2 2 颗粒增强复合材料的弹性模量和强度 2 2 湿、热膨胀系数的细观力学分析 2 2 经典层合理论 2 2 层合板刚度的特殊情况 2 2 层合板的强度 2 2 3 合计26 6 32 (四)课程内容的重点、难点 1.复合材料的结构、特点、优点与缺点 重点:复合材料的可设计性, 复合材料的结构层次, 比强度、比模量的概念,复合材料模量、层间性能概念. 难点:复合材料的各向异性和非均质性概念. 2.单层的刚度与强度 重点:正轴与偏轴的概念,单层板的正轴应力-应变关系,柔度与刚度的定义,柔度、刚度与工程弹性常数的关系,最大应力准则和最大应变准则公式,蔡-希尔(Tasi-Hill)强度准则和霍夫曼(Hoffman)准则强度条件. 难点:应力转换和应变转换公式,单层板的偏轴下的应力-应变关系式,应变-应力关系式的确定,偏轴工程弹性常数与正轴弹性常数的转换关系,蔡-吴(Tsai-Wu)张量准则,单层板强度的计算方法. 3.单层板的细观力学 重点:细观力学,宏观力学的概念,复合材料弹性常数预测的材料力学方法,弹性常数预测的蔡-韩(Tsai-Hahn)的修正公式,纵向拉伸强度、纵向压缩强度的概念 难点:复合材料弹性常数预测的弹性力学方法、半经验方法的概念,颗粒增强复合材料的弹性模量与强度的概念与预测. 4.层合板的刚度与强度 重点:一般层合板的变形分析,层合板内力的一般表达式,一般层合板的弹性特性,各向同性单层板、横观各向同性单层板、参考轴与主轴一致的正交异性单层板,参考轴与主轴不一致的正交异性单层板的刚度的概念,各向同性层组成的对称层合板,对称正交铺设层合板,规则对称角铺设层合板,反对称层合板的刚度. 难点:层合板各层的应力-应变分析,层合板的强度分析与计算等. 三、课程改革与特色 本门课程使用了多媒体教学,开设了复合材料性能实验课,进行了计算机考试与笔试相结合的考试改革. 四、推荐教材及参考书 推荐教材: 《复合材料结构设计》,主编:王耀先,出版社:化学工业出版社,出版或修订时间:2001年9月 参考书: 《复合材料结构设计基础》,主编:李顺林、王兴业,出版社:武汉工业大学出版社,出版或修订时间:1993年 《复合材料力学基础》,主编:刘锡礼、王秉权,出版社:中国建筑工业出版社,出版或修订时间:1993 《复合材料细观力学》,主编:杜善义、王彪,出版社:科学出版社,出版或修订时间:1998 《Mechanics of Composite Materials 》第二版,主编:Robert M. Jones,出版社:Talyor & Francis, Inc.,出版或修订时间:1987
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《复合材料力学》教学大纲 课程编号 : 课程名称 :复合材料力学/ Mechanics of Composite Materials 学时/学分:32/2 先修课程 :工程力学 适用专业 :复合材料与工程 开课学院(部)、系(教研室):材料科学与工程学院复合材料系 一、课程的性质与任务 复合材料力学是复合材料与工程专业的专业必修课,是为培养复合材料与工程专业高质量专门人才服务的.通过本课程的学习,要使学生获得: 1.复合材料的结构、特点、优点与缺点 2.单层板的刚度与强度 3.单层板的细观力学 4.层合板的刚度与强度 等复合材料力学的基础理论知识,为复合材料结构设计、复合材料产品设计奠定理论基础. 在传授复合材料力学知识的同时,要通过各个教学环节逐步培养学生根据复合材料各向异性、可设计性的特点,初步掌握复合材料设计的基本原理和综合运用所学知识去分析和进行复合材料设计的能力. 二、课程的教学内容、基本要求及学时分配 (一)教学内容 1.复合材料的结构、特点、优点与缺点 复合材料的结构:复合材料的结构层次,单层板的概念,双向板的概念,单层材料设计、层合板设计和结构设计的概念. 复合材料的特点:复合材料的各向异性和非均质性概念,复合材料的可设计性、材料与结构的同一性、结构设计包括材料设计、材料性能对复合工艺的依赖性的概念. 复合材料的优点与缺点:比强度、比模量的定义,疲劳性能、减振性能、破损安全性能、耐化学腐蚀性能、电性能、热性能的特点,复合材料模量、层间性能、性能离散性大等概念. 2.单层的刚度与强度 单层板的正轴刚度:正轴与偏轴的概念,单层板的正轴应力-应变关系,柔度与刚度的定义,柔度、刚度与工程弹性常数的关系. 单层板的偏轴刚度:应力转换和应变转换公式,单层板的偏轴下的应力-应变关系式,应变-应力关系式的确定,偏轴工程弹性常数与正轴弹性常数的转换关系. 单层板的强度:单层板的基本强度的概念,最大应力准则和最大应变准则公式,蔡-希尔(Tasi-Hill)强度准则和霍夫曼(Hoffman)准则强度条件,蔡-吴(Tsai-Wu)张量准则,单层板强度的计算方法. 3.单层板的细观力学 细观力学:复合材料细观力学,复合材料宏观力学的概念,材料力学方法,弹性力学方法、半经验方法的概念. 复合材料的密度和组分材料的含量:体积密度、质量密度的定义及与组分材料含量的关系. 复合材料弹性常数的预测:串联模型的弹性常数,纵向弹性模量、横向弹性模量、泊松比、面内剪切弹性模量的计算,并联模型的弹性常数,纵向弹性模量、横向弹性模量、泊松比、面内剪切弹性模量的计算,组合模型的弹性常数,蔡-韩(Tsai-Hahn)的修正公式. 复合材料基本强度的预测:纵向拉伸强度、纵向压缩强度的概念,正交织物的弹性常数和强度预测,颗粒增强复合材料的弹性模量与强度. 短纤维增强复合材料的细观力学分析:应力传递理论的概念,单向短纤维复合材料的弹性模量和强度,随机取向短纤维增强复合材料的弹性模量和强度,短纤维复合毡增强复合材料的弹性常数和强度. 颗粒增强复合材料的弹性模量与强度:基本概念. 湿、热膨胀系数的细观力学分析:纵向热膨胀系数,横向热膨胀系数,纵向湿膨胀系数,横向湿膨胀系数. 4.层合板的刚度与强度 一般层合板的弹性特性:变形分析,层合板内力的一般表达式,一般层合板的弹性特性. 单层板的刚度:各向同性单层板,横观各向同性单层板,参考轴与主轴一致的正交异性单层板,参考轴与主轴不一致的正交异性单层板的刚度. 层合板的刚度:各向同性层组成的对称层合板,对称正交铺设层合板,规则对称角铺设层合板,反对称层合板的刚度,平性移轴定理. 层合板的强度:层合板各层的应力-应变分析,强度分析,考虑湿热应变的单层板应力与应变关系,考虑湿热应变的层合板内力与应变关系,层合板的湿热应变,层合板的残余应变和残余应力. (二)基本要求 1.正确理解下列基本概念和它们之间的内在联系: 复合材料的结构层次,单层板,层合板,各向异性和非均质性,可设计性、比强度、比模量,层间性能,正轴与偏轴,柔度与刚度,细观力学方法, 2.正确理解下列公式并能正确运用: 霍夫曼(Hoffman)准则强度条件,蔡-吴(Tsai-Wu)张量准则,单层板强度的计算方法,复合材料弹性常数的蔡-韩(Tsai-Hahn)的修正公式,一般层合板的内力-应变关系,层合板的强度计算. 3.牢固掌握下列公式: 单层板的正轴应力-应变关系,柔度、刚度与工程弹性常数的关系式,最大应力准则和最大应变准则公式,蔡-希尔(Tasi-Hill)强度准则,混和法则,刚度系数的计算公式. 4.熟练运用下列公式和方法: 应力转换和应变转换公式,单层板的偏轴下的应力-应变关系式,应变-应力关系式的确定,偏轴工程弹性常数与正轴弹性常数的转换关系,复合材料弹性常数的预测材料力学方法. 5.会运用材料力学方法预测一些简单复合材料的弹性常数,及进行简单的复合材料力学分析. (三)学时分配 本课程的教学时数为32学时,课内学时分配如下表: 教学环节 课程内容 学时 讲课习题课小计复合材料的结构、特点、优点与缺点 2 2 单层的正轴刚度 2 2 单层的偏轴刚度 2 2 单层的强度 2 2 3 刚度的材料力学方法 2 2 刚度的强性力学方法 2 2 强度的材料力学方法 2 2 短纤维增强复合材料的细观力学 2 2 颗粒增强复合材料的弹性模量和强度 2 2 湿、热膨胀系数的细观力学分析 2 2 经典层合理论 2 2 层合板刚度的特殊情况 2 2 层合板的强度 2 2 3 合计26 6 32 (四)课程内容的重点、难点 1.复合材料的结构、特点、优点与缺点 重点:复合材料的可设计性, 复合材料的结构层次, 比强度、比模量的概念,复合材料模量、层间性能概念. 难点:复合材料的各向异性和非均质性概念. 2.单层的刚度与强度 重点:正轴与偏轴的概念,单层板的正轴应力-应变关系,柔度与刚度的定义,柔度、刚度与工程弹性常数的关系,最大应力准则和最大应变准则公式,蔡-希尔(Tasi-Hill)强度准则和霍夫曼(Hoffman)准则强度条件. 难点:应力转换和应变转换公式,单层板的偏轴下的应力-应变关系式,应变-应力关系式的确定,偏轴工程弹性常数与正轴弹性常数的转换关系,蔡-吴(Tsai-Wu)张量准则,单层板强度的计算方法. 3.单层板的细观力学 重点:细观力学,宏观力学的概念,复合材料弹性常数预测的材料力学方法,弹性常数预测的蔡-韩(Tsai-Hahn)的修正公式,纵向拉伸强度、纵向压缩强度的概念 难点:复合材料弹性常数预测的弹性力学方法、半经验方法的概念,颗粒增强复合材料的弹性模量与强度的概念与预测. 4.层合板的刚度与强度 重点:一般层合板的变形分析,层合板内力的一般表达式,一般层合板的弹性特性,各向同性单层板、横观各向同性单层板、参考轴与主轴一致的正交异性单层板,参考轴与主轴不一致的正交异性单层板的刚度的概念,各向同性层组成的对称层合板,对称正交铺设层合板,规则对称角铺设层合板,反对称层合板的刚度. 难点:层合板各层的应力-应变分析,层合板的强度分析与计算等. 三、课程改革与特色 本门课程使用了多媒体教学,开设了复合材料性能实验课,进行了计算机考试与笔试相结合的考试改革. 四、推荐教材及参考书 推荐教材: 《复合材料结构设计》,主编:王耀先,出版社:化学工业出版社,出版或修订时间:2001年9月 参考书: 《复合材料结构设计基础》,主编:李顺林、王兴业,出版社:武汉工业大学出版社,出版或修订时间:1993年 《复合材料力学基础》,主编:刘锡礼、王秉权,出版社:中国建筑工业出版社,出版或修订时间:1993 《复合材料细观力学》,主编:杜善义、王彪,出版社:科学出版社,出版或修订时间:1998 《Mechanics of Composite Materials 》第二版,主编:Robert M. Jones,出版社:Talyor & Francis, Inc.,出版或修订时间:1987