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科技前沿

复合材料英文经典著作(十五)《先进复合材料力学和结构单元》
来源:武汉理工王继辉教授课题组  2016-12-01 13:50:01
本文阅读次数:1290

原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4067

  作者:(英)Valery V. Vasiliev / Evgeny  V.Morozov
出版社:ELSEVIER

  


前言:
本书对先进复合材料及其结构单元中的热点力学问题进行了描述、分析以及讨论。复合材料的力学性能由聚合物、金属或者陶瓷基体中的高强、(或)高模连续纤维控制。人类很早就有利用两种或多种组分来生产性能可控材料的想法,而且这种混合材料在远古时代就已被我们的祖先使用。现代复合材料虽仅有五六十年的发展历史,却已被广泛应用于众多工程领域,尤其航空航天,必须使用高比强度、高比模量材料。
由于复合材料的广泛应用以及潜在的应用价值,复合材料技术近十年来发展迅猛。相关出版物已覆盖各向异性弹性力学、复合材料力学、复合材料结构设计、分析、制造以及应用等各方面。而本书的特色在于:与当前出版物相比,解决了一系列复合材料力学的前沿问题,例如纤维的统计强度、纤维损伤后的应力传递,复合材料的非线性弹性、塑性以及蠕变性能,混合双基体复合材料,空间纤维结构、张量强度准则、渐进失效以及制造环境和制造过程对材料性能的影响,当然也包括传统的复合材料力学。除经典层合板理论及其在梁和板中的应用之外,本书还涉及到非经典理论的相容性问题,对称和非对称层合板的屈曲和后屈曲问题以及复合材料圆柱壳的应用理论。复合材料的最大优势在于可对纤维、铺层结构进行优化设计,因此我们用实例论证了优化准则和最优结构设计,所举案例如下:纤维缠绕压力容器、旋转构件以及柱面网格结构。
本书作者均为经验丰富的复合材料结构设计师,在过去40多年里,参与了俄罗斯几乎所有与复合材料技术相关的项目。这些经验有助于我们慎重挑选书中提出的一些问题,这些问题对材料设计工程师来说也极具挑战性。书中的讨论使用了一些图片加以解释,这些图片均来自项目中设计与制造的复合材料部件和结构。作者非常感激俄罗斯复合材料中心-中央特种机械研究院(CRISM)的许可,在本书中使用了与CRISM联合研究设计项目中开发制作的多张结构图片。
本书的主要目的是实现力学、技术、复合材料分析以及结构单元的高水平结合。使用这种方法,工程师在考虑材料本身基本力学性能的同时,还能考虑到一些特殊性能,包括制造技术、实验结果以及设计特点。
本书由12个章节组成,可分为两部分:第一部分为3-7章,主要讲复合材料;第二部分为8-12章,包含了典型复合材料结构单元的分析与设计问题。
第1章介绍了典型的增强材料和基体材料,同时包括复合材料技术中典型的制造工艺。
第2章介绍了固体力学的基本原理,即应力、应变、本构理论、控制方程以及在后续章节中将会使用到的有关复合材料与结构的分析准则。
第3章致力于介绍复合材料的基本结构单元:单向板。除传统微观力学模型以及实验数据之外,还对纤维强度的物理性质、统计特性以及受损纤维与基体之间的相互作用进行了论述,我们指出,纤维复合材料是一类特殊材料,即利用材料本身潜在的强度和结构而形成的人造材料。  
第4章是关于典型复合材料铺层的描述,即单向纤维、织物以及空间增强复合材料。本章还补充了线弹性模型、非线弹性以及弹塑性分析,充分展现了金属基和热塑性基体的特殊性能。
第5章是层合板的力学问题,包括传统的层合板刚度矩阵、典型层合板的耦合效应以及面内应力和层间应力的计算步骤。
第6章提供了一种评估层合板强度的实用方法。包括三种主要的失效准则:结构准则用于揭示失效模式,近似多项式准则用作实验数据的近似拟合,而张量多项式准则用来讨论和比较单向与织物复合材料的实验结果。本章讨论了一个应用于复合材料与结构,并且结合了弹塑性损伤模型与应变驱动隐式积分的程序,程序考了初始损伤之前的力学响应,起始损伤预测以及失效后的建模。
第7章是关于环境因素和特殊载荷的影响,包括热传导分析、热塑性分析,长期载荷下的材料老化、蠕变和耐久性以及典型先进复合材料的疲劳分析、阻尼和抗冲击性能。纤维缠绕过程中纤维间应力分布不均、铺贴波纹和非对称层合板的铺层顺序引起的冷却、固化后的复合材料翘曲变形,都证实了制造因素对材料性能的影响。
第8章讨论了复合材料梁。除了梁的静态和屈曲问题的常规解法,精简的梁理论也被一同评估。
第9章是专门针对复合材料层合板的,涵盖了传统和特殊的板壳理论,特别是经典板壳理论中的Kirchhoff和Thomson-Tait边界条件变换,剪切变形板理论中的渗透层与边界层解的相互作用。同时提出了一个固支板弯曲问题的精确解。在复合材料对称与非对称层合板结构的应用中还讨论了屈曲与后屈曲问题。
第10章是关于薄壁层合板梁的问题。讨论了闭合、开放和多单元梁截面的复合材料梁自由或受约束的弯曲、扭转问题。借助性能可控复合材料梁的应用,讨论了各向异性梁的耦合效应。提供了施加表面荷载的加筋肋梁的分析方法。
第11章介绍了复合材料圆柱壳的问题,包括应用理论和可行性分析方法,特别是实际工程问题和半膜壳理论。另外还提出了一种解决轴向压缩屈曲壳体的新方法,这是一种简单、不依赖边界条件的解析解。
第12章则专门研究复合材料结构的优化,特别是层合板的强度均匀化、数值优化和结构单元:复合材料压力容器、旋转圆盘以及测地网格结构,材料方向特性、设计理念以及制造方法的适当组合显著提高了结构性能。
第三版是一个修订版,是第二版的更新和扩展,扩展和更新的章节如下:金属纤维层合板(第5.6.4节),渐进失效分析(第6.5节),耐久性分析(第7.3.2节),复合材料梁(第8章),包含优化梁的分析方法和板壳理论(第8.7节),复合材料板(第9章)的固支矩形板弯曲问题的精确解以及经典泊松-基尔霍夫边界调和问题的综合分析(第9.4节),面内载荷和非对称层合板的屈曲问题(第9.7节),薄壁复合材料梁的模型理论(第10章),包括自由或者约束的正交各向异性梁的屈曲和剪切问题的收敛(第10.4节)和发散(第10.6节)各向异性梁截面的耦合效应(第10.4.8节),利用复合材料圆柱壳的线性和非线性理论(第11章)以及一个用来解决屈曲问题的新方法(第11.5节)和在强度和屈曲约束下层合板的数值优化(第12.3节)。第三版添加了超过280页的新内容,200个新插图以及19个新表格。
第三版使用了新标题《先进复合材料力学和结构单元》,此版本中,更好的反应了整体内容以及改进、扩展和修订。
本书对较大范围的课题进行了全面覆盖,从基础和基本的理论到先进的建模和分析方法,涵盖了实际设计和工程应用,可以作为高年级本科生和研究生的最新指导教材。同时,它包含了微观和宏观层次上物质结构的当代理论模型的详细和全面的介绍、实践方法、实验结果以及复合材料性能和组件性能的优化,这些都可以被研究人员和工程师应用。
作者特别感谢相关人员在编写这本书时在时间和精力上的付出。特别地,我们要感谢我们的编辑们在第三版本的准备过程中的鼓励和参与。包括Graham Nisbet和Steve Merken(第三版的出版编辑),Jeffrey Freeland(编辑项目经理),和Lisa Jones(高级项目经理)。另外特别感谢Leslie Henshall教授在文字改进方面的贡献。

Contents
1 introduction
1.1 structural materals
1.2 composite materials
1.3 references
2 fundamentals of mechanicsof solids
2.1stresses
2.2equilibrium equations
2.3stress transformation
2.4 principal stresses
2.5 displacements and strains
2.6 transformation of small strains
2.7 compatibility equations
2.8 admissible static and kinematic fields
2.9 constitutive equations for an elastic solid
2.10formulations of the problem
2.11 variational principles
2.12. reference
3 mechanics of a unidirectional ply
3.1 ply architecture
3.2 fiber-matrix interaction
3.3 micromechanics of a ply
3.4 mechanical properties of a ply under tension, shear, and compression
3.5 hybrid composites
3.6 composites with high fiber fraction
3.7 phenomenological homogeneous model of a ply
3.8 references
4 mechanics of a composite layer
4.1 isotropic layer
4.2 unidirectional orthotropic layer
4.3 unidirectional anisotropic layer
4.4 orthogonally reinforced orthotropic layer
4.5 angle-ply orthotropic layer
4.6 layer made by angle-ply circumferential winding
4.7 fabric layers
4.8 lattice layer
4.9 spatially reinforced layers and bulk materials
5 mechanics of laminates
5.1 stiffness coefficients of a nonhomogeneous anisotropic layer
5.2 stiffness coefficients of a homogeneous layer
5.3 stiffness coefficients of a laminate
5.4 symmetric laminates
5.5 engineering stiffness coefficients of orthotropic laminates
5.6 quasi-homogeneous laminates
5.7 quasi-isotropic laminates in the plane stress state
5.8 antisymmetric laminates
5.9 sandwich structures
5.10 coordinate of the reference plane
5.11 stresses in laminates
5.12 references
6 failure criteria and strength of laminates
6.1 failure criteria for an elementary composite layer or ply
6.2 practical recommendations
6.3 examples
6.4 allowable stresses for laminates consisting of unidirectional plies
6.5 progressive failure: modeling and analysis
6.6 references
7 environmental, special loading,and manufacturing effects
7.1 temperature effects
7.2 hygrothermal effects and aging
7.3 time-dependent loading effects
7.4 manufacturing effects
7.5 references
8 laminated composite beams and columns
8.1 basic equations
8.2 stiffness coefficients
8.3 bending of laminated beams
8.4 nonlinear bending
8.5 buckling of composite columns
8.6 free vibrations of composite beams
8.7 refined theories of beams and plates
8.8 references
9 laminated composite plates
9.1 equations of the theory of anisotropic laminated plates
9.2 equations for the orthotropic plates with symmetric structure
9.3 analysis of the equations of plate theory for transversely isotropic plates
9.4 bending of orthotropic symmetric plates
9.5 buckling of orthotropic symmetric plates
9.6 postbuckling behavior of orthotropic symmetric plates under axial compression
9.7 generally laminated plates
9.8 references
10 thin-walled composite beams
10.1 geometry of the beam cross section
10.2 the equations of membrane shell theory
10.3 assumptions of composite beam theory
10.4 free bending and torsion of thin-walled beams with a closed cross-sectional contour
10.5 beams with multi-cell cross-sectional contours
10.6 beams with open cross-sectional contours
11 circular cylindrical shells
11.1 governing equations and applied shell theories
11.2 cylindrical shells whose stress-strain state
does not depend on the axial coordinate
11.3 axisymmetric deformation of cylindrical shells
11.4 general loading case
11.5 buckling of cylindrical shells under axial compression
11.6 buckling of cylindrical shells under external pressure
11.7 references
12 optimal composite structures
12.1 optimal fibrous structures
12.2 composite laminates of uniform strength
12.3 optimal design of laminates
12.4 application to optimal composite structures
12.5 references
Author index
Subject index

推荐理由:      
       这本研究生教材介绍了传统方法在利用新型复合材料制作工程力学结构件时具有很高的比强度以及比模量……在之前出版的《先进复合材料力学》(2007年)基础上,第三版中增加了四章关于复合材料梁、板以及圆柱壳的内容。--ProtoView.com 2014年二月份的这本书的第三版中包括了12个章节,逐步包含了所有复合材料结构层次,即他们的组成成分由单层到层合板以及复合材料层合板结构单元。所有包含梁、板以及壳的新增加的内容对于研究者来说都具有现实意义。
       MaterialsToday.com, 2013.12.16

文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4067