文 / 蘇格拉偉

對于復合材料的力學分析和研究大致可分為材料力學和結構力學兩大部分，習慣上把復合材料的材料力學部分稱為復合材料力學，而把復合材料結構(如板、殼結構)的力學部分稱 為復合材料結構力學，有時這兩部分也統稱為復合材料力學。復合材料的材料力學部分按采用力學模型的精細程度可分為細觀力學和宏觀力學兩部分，下面分別說明這三種力學分析方法的基本特點。

1. 細觀力學 

它從細觀角度分析組分材料之間的相互作用來研究復合材料的物理力學性能。它以纖維和基體為基本單元，把纖維和基體分別看成是各向同性的均勻材料，根據材料纖維的幾何形狀和布置形式、纖維和基體的力學性能、纖維和基體之間的相互作用(有時應考慮纖維和基體之 間界面的作用)等條件，來分析復合材料的宏觀物理力學性能。這種分析方法比較精細但相當復雜，目前還只能分析單層材料在簡單應力狀態下的一些基本力學性質，例如材料主軸方向的彈性常數及強度。

此外，由于實際復合材料纖維形狀、尺寸不完全規則和排列不完全均勻，制造工藝上的差異和材料內部存在空隙、缺陷等，細觀力學分析方法還不能完全考慮材料的實際情況，需進一步研究。以細觀力學分析復合材料性質，在復合材料力學的學科范圍內是不可缺少的重要組成部分，它對研究材料的破壞機理、提高復合材料性能、進行復合材料和結構設計 將起到很大作用。

ANSYS和ABQAUS都可以建立復合材料細觀模型，進行相關的研究。

2. 宏觀力學 

它從材料是均勻的假定出發，只從復合材料的平均表觀性能檢驗組分材料的作用來研究復合材料的宏觀力學性能。它把單層復合材料看成均勻的各向異性材料，不考慮纖維和基體的具體區別，用其平均力學性能表示單層材料的剛度、強度特性，可以比較容易地分析單層和疊層材料的各種力學性質，所得結果較符合實際。宏觀力學的基礎是預知單層材料的宏觀力學性能，如彈性常數、強度等。這些數據來自實驗測定或細觀力學分析。由于實驗測定方法較簡便可靠，工程應用往往采用它。在復合材料學學科范圍內，宏觀力學占很大比重 。

3. 復合材料結構力學 

它從更粗略的角度來分析復合材料結構的力學性能，把疊層材料作為分析問題的起點,疊層復合材料的力學性能可由上述宏觀力學方法求出、或者可用實驗方法直接求出。它借助現 有均勻各向同性材料結構力學的分析方法，對各種形狀的結構元件(如板、殼)進行力學分析 其中有層合板和殼結構的彎曲，屈曲與振動問題，以及疲勞、斷裂、損傷、開孔強度等問題。ABAQUS可以進行復合材料結構力學維度的相關研究。

總之，復合材料的力學理論作為固體力學的一個新的學科分支，是近幾十年來發展形成的，它涉及根據復合材料的制造工藝、性能測試和結構設計等進行力學分析，隨著新復合材料的不斷發展和廣泛應用，復合材料力學理論也將不斷發展。

來源：碳纖維研習社