Structural and Failure Mechanics of Sandwich Composites pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Kluwer Academic Pub

作者:Carlsson, Leif A.

出品人:

页数:400

译者:

出版时间:2006-4

价格:$ 157.07

装帧:HRD

isbn号码:9781402032240

丛书系列:

图书标签:

• Sandwich composites
• Failure mechanics
• Structural mechanics
• Composite materials
• Finite element analysis
• Buckling
• Impact resistance
• Damage tolerance
• Aerospace structures
• Mechanical engineering

结构与失效力学前沿进展：复合材料的性能、建模与应用 第一部分：复合材料基础理论与宏观力学行为 第一章 复合材料的本构关系与界面力学 本书深入探讨了先进复合材料，特别是纤维增强聚合物基复合材料（FRPCs）的力学特性。首先，详细阐述了微观结构特征（如纤维体积分数、界面粘结强度）如何影响宏观力学性能，包括杨氏模量、剪切模量和泊松比的取向依赖性。我们着重分析了正交异性、单斜晶体和各向同性材料模型在不同尺度下的适用性。 核心内容包括复合材料的经典层合板理论（Classical Lamination Theory, CLT）的修正与扩展。CLT虽然是分析复合材料截面响应的基石，但对于厚板和高度应力集中的区域，其预测精度受到限制。因此，本书引入了分层有限元方法 (Layer-wise Finite Element Method, LWFEM)，用以捕捉厚度方向上的应力跳跃和三维应力状态。 界面是复合材料的薄弱环节。本章详述了纤维/基体界面对整体性能的决定性作用，特别关注了界面损伤机制，如脱粘（Debonding）和纤维滑移（Fiber Sliding）。通过引入界面本构模型 (Interface Constitutive Models)，例如基于内聚力模型（Cohesive Zone Models, CZM）的能量释放率判据，我们精确模拟了裂纹萌生和扩展过程中界面应力-位移的非线性关系。 第二章 复合材料的失效机制与断裂力学 复合材料的失效过程远比均质材料复杂，通常表现为多尺度、多阶段的损伤演化。本章系统梳理了复合材料主要的失效模式：纤维断裂、基体开裂、界面脱粘以及孔隙扩展。 我们重点讨论了复合材料的断裂韧性评估。传统的应力强度因子（Stress Intensity Factor, SIF）方法在处理裂纹尖端的尖锐化和复杂的应力场时存在局限性。因此，本书引入了基于弹塑性断裂力学 (Elasto-Plastic Fracture Mechanics, EPFM) 的概念，如J积分和其在复合材料中的推广应用。 特别关注的是渐进损伤模型 (Progressive Damage Modeling, PDM)。该模型通过定义一系列应力或应变失效准则（如Hashin准则、Tsai-Wu准则），结合刚度退化方法 (Stiffness Degradation Methods)，来模拟损伤累积直至宏观失效的全过程。这使得结构工程师能够精确预测在复杂载荷条件下的剩余寿命和安全裕度。 第三章 制造过程对性能的影响：孔隙度与热效应 复合材料的制造工艺（如树脂传递模塑RTM、预浸料固化）直接决定了最终产品的性能。本章深入分析了孔隙度 (Porosity) 的形成机理及其对力学性能的负面影响。高孔隙率不仅降低了材料的承载能力，还会加速疲劳损伤的累积。我们采用统计模型和基于图像分析的方法来量化孔隙的分布和尺寸。 此外，热力耦合效应是分析复合材料结构完整性的关键。由于基体和增强材料的热膨胀系数存在显著差异，温度变化会导致内部残余应力。本章结合热粘弹性理论 (Thermo-Viscoelasticity)，模拟了固化过程中的放热反应和服役过程中的温度波动，预测了由热应力引发的翘曲、分层和性能退化。 --- 第二部分：高级分析技术与非线性响应 第四章 几何非线性和屈曲分析 当复合材料结构承受较大载荷或厚度较薄时，几何非线性效应变得不可忽略。本章集中于薄壁复合材料结构的屈曲行为。与均质材料的欧拉屈曲公式不同，复合材料的屈曲载荷与层合板的刚度矩阵高度相关。 我们采用非线性有限元方法来分析承载过程中的大变形和后屈曲性能。分析内容包括： 1. 板和壳的非线性理论：如Von Kármán应变描述下的动力学和静力学分析。 2. 复合材料特有的屈曲模式：如由剪切变形控制的层内屈曲和由界面脱粘引起的局部失稳。 3. 屈曲与损伤的耦合：如何利用非线性分析来识别结构对初始缺陷（如制造缺陷或冲击损伤）的敏感性。 第五章 疲劳、蠕变与耐久性预测 复合材料的长期服役性能依赖于其抗疲劳和抗蠕变能力。本章侧重于循环载荷下的损伤累积。 在疲劳分析中，我们超越了简单的S-N曲线方法，转而关注基于损伤的疲劳模型 (Damage-based Fatigue Models)。这包括利用Miner’s 线性累积法则的修正形式，以及结合能量释放率 (G) 在疲劳循环下的演化来预测裂纹扩展速率。对于冲击后损伤（Impact Damage）的疲劳寿命评估，我们采用了多尺度损伤演化模型，以捕捉冲击导致的内部分层在后续循环载荷下的扩展路径。 蠕变是粘弹性基体材料在恒定应力下的长期变形。本章引入了Findley模型和Bailey-Norton模型在复合材料体系中的应用，重点研究了温度和湿热环境对蠕变速率的影响，为评估高湿热环境下长期承载结构的可靠性提供了工具。 第六章 冲击与侵蚀损伤的评估 低速冲击（如工具掉落、鸟击）是航空航天和汽车结构面临的常见问题。本章详细剖析了冲击事件对复合材料内部结构造成的隐性损伤。 我们采用了落锤试验 (Drop-Weight Impact Tests) 的数据分析方法，重点关注能量吸收机制和损伤扩展范围。核心内容包括： 1. 冲击后损伤 (Barely Visible Impact Damage, BVID) 的检测技术（如超声波C扫描）。 2. 损伤建模：使用侵蚀模型 (Erosion Models) 来模拟材料在冲击点附近的材料丢失和动态失效过程。 3. 冲击后的剩余强度评估：如何将冲击识别的内部分层区域作为初始缺陷输入到静力或疲劳分析中，以确定结构的最大可接受冲击能量。 --- 第三部分：先进功能材料与新兴结构设计 第七章 智能复合材料与自适应结构 本书的最后部分展望了复合材料在智能结构中的应用。这包括将传感和作动功能集成到结构本身。 我们探讨了压电（Piezoelectric）和形状记忆合金（SMA）纤维在复合材料中的集成方法。通过将压电元件嵌入层合板中，可以实现结构健康监测 (Structural Health Monitoring, SHM)，通过监测材料的本征频率变化或收集电势信号来实时评估损伤程度。 此外，SMA功能层的应用使得结构能够实现自适应减振或自修复。我们分析了SMA纤维在不同温度下的相变应力和应变恢复能力，并将其耦合到复合材料的整体本构方程中，以设计能够主动调节刚度和阻尼特性的先进结构。 第八章 周期性结构与多孔复合材料 现代工程对轻量化和功能集成提出了更高要求。本章聚焦于蜂窝夹芯结构、泡沫填充结构和晶格复合材料的力学行为。 虽然这些结构本质上是多孔的，但它们的宏观行为表现出独特的各向异性。我们应用平均场均匀化方法 (Mean-Field Homogenization, MFH) 来推导这些多孔材料的有效力学参数，从而将其视为均质材料进行宏观分析。这对于评估航天器面板、飞机地板等轻质承载结构至关重要。本章也包含了对局部化失稳 (Localized Buckling) 现象的深入分析，这种失稳往往发生在夹层芯材或多孔单元内部。 通过对上述八个核心领域的详细阐述，本书旨在为复合材料结构工程师和研究人员提供一个全面、深入且面向应用的力学分析框架。

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