材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)的案例
IUTAM電磁功能材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)研討會(huì)在北京成功舉行
會(huì)議期間，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們就電磁功能材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域的多個(gè)相關(guān)問題進(jìn)行了深入的研討與交流，對(duì)該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。經(jīng)過四天半的充分交流，會(huì)議于8月30日中午圓滿結(jié)束。在會(huì)議閉幕式上，美國(guó)McMeeking院士對(duì)本次會(huì)議進(jìn)行了熱情洋溢的評(píng)價(jià)，稱本次會(huì)議的舉辦非常成功，對(duì)該力學(xué)交叉領(lǐng)域的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。
中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、浙江大學(xué)楊衛(wèi)院士做報(bào)告
參會(huì)人員合影
復(fù)合材料力學(xué)分析的三個(gè)方法
這些數(shù)據(jù)來(lái)自實(shí)驗(yàn)測(cè)定或細(xì)觀力學(xué)分析。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法較簡(jiǎn)便可靠，工程應(yīng)用往往采用它。在復(fù)合材料學(xué)學(xué)科范圍內(nèi)，宏觀力學(xué)占很大比重 。
3. 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)
它從更粗略的角度來(lái)分析復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，把疊層材料作為分析問題的起點(diǎn),疊層復(fù)合材料的力學(xué)性能可由上述宏觀力學(xué)方法求出、或者可用實(shí)驗(yàn)方法直接求出。它借助現(xiàn) 有均勻各向同性材料結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析方法，對(duì)各種形狀的結(jié)構(gòu)元件(如板、殼)進(jìn)行力學(xué)分析 其中有層合板和殼結(jié)構(gòu)的彎曲，屈曲與振動(dòng)問題，以及疲勞、斷裂、損傷、開孔強(qiáng)度等問題。ABAQUS可以進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)維度的相關(guān)研究。
總之，復(fù)合材料的力學(xué)理論作為固體力學(xué)的一個(gè)新的學(xué)科分支，是近幾十年來(lái)發(fā)展形成的，它涉及根據(jù)復(fù)合材料的制造工藝、性能測(cè)試和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行力學(xué)分析，隨著新復(fù)合材料的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料力學(xué)理論也將不斷發(fā)展。
來(lái)源：碳纖維研習(xí)社
展開 MTS 材料試驗(yàn)專業(yè)委員會(huì)第三屆青年委員學(xué)術(shù)會(huì)議暨材料與結(jié)構(gòu)之力學(xué)測(cè)試論壇會(huì)議紀(jì)要
中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)MTS 材料試驗(yàn)專業(yè)委員會(huì)已連續(xù)成功舉辦了3屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議，為從事材料與結(jié)構(gòu)測(cè)試相關(guān)研究領(lǐng)域的青年才俊提供了良好的交流平臺(tái)，加深了青年委員之間的聯(lián)系，今后青年學(xué)術(shù)會(huì)議每年將舉辦1至2次。
西南交大《IJP》：異構(gòu)層狀材料微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)聯(lián)的本構(gòu)建模分析
異構(gòu)層狀材料中相鄰層在成分、厚度、晶粒尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向等方面均可調(diào)可控，因此微結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有巨大的空間。與傳統(tǒng)均勻金屬材料相比，異構(gòu)層狀金屬材料可將各組元材料的優(yōu)勢(shì)協(xié)同發(fā)揮，兼具輕質(zhì)、高強(qiáng)、高韌、熱穩(wěn)定、抗輻照、耐磨損和抗疲勞等性能，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并有望作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)于汽車工業(yè)、航空航天和核防護(hù)等領(lǐng)域。
由于具備典型的層狀結(jié)構(gòu)，界面主導(dǎo)的變形機(jī)制和力學(xué)響應(yīng)是異構(gòu)層狀材料研究的重中之重。近年來(lái)，針對(duì)異構(gòu)層狀材料的制備、表征以及單拉和疲勞性能測(cè)試已經(jīng)有豐富的研究成果報(bào)道，然而，層狀材料的本構(gòu)模型研究還相當(dāng)匱乏，材料中的多尺度界面（晶界、層間界面）對(duì)宏觀力學(xué)性能的定量影響不清楚，導(dǎo)致材料微結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能缺乏定量關(guān)聯(lián)，限制了材料進(jìn)一步的性能優(yōu)化。
針對(duì)上述問題，西南交通大學(xué)“材料本構(gòu)關(guān)系和疲勞斷裂”研究團(tuán)隊(duì)“多尺度材料力學(xué)”研究組張旭教授（https://faculty.swjtu.edu.cn/xu_zhang/）與中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所趙建鋒助理研究員、德國(guó)埃爾朗根紐倫堡大學(xué)的MichaelZaiser教授、西南交通大學(xué)康國(guó)政教授、四川大學(xué)黃崇湘教授等合作，考慮層狀材料中晶界和層間界面引入的非均勻變形，基于位錯(cuò)塞積理論引入不同層級(jí)的界面對(duì)位錯(cuò)的阻礙效果（如圖1所示），導(dǎo)出了幾何必需位錯(cuò)密度和背應(yīng)力演化模型，最終建立了關(guān)聯(lián)層狀材料的微結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)響應(yīng)的本構(gòu)模型，并對(duì)層狀Cu/Cu10Zn材料進(jìn)行了模擬。
圖1.層狀材料中晶界和層間界面處位錯(cuò)塞積示意圖
所建立的本構(gòu)模型可以很好地描述不同晶粒尺寸的均勻晶粒材料以及不同層厚的層狀材料的單軸拉伸響應(yīng)，如圖2所示。
圖2.
展開 
哥廷根大學(xué)張凱教授課題組《Small》：兼具可調(diào)結(jié)構(gòu)色和力學(xué)性能的三維中空結(jié)構(gòu)材料
然而，這些技術(shù)通常僅限于制備1D/2D結(jié)構(gòu)（纖維或薄膜）。雖然已經(jīng)證明了3D/4D打印可以獲得兼具復(fù)雜結(jié)構(gòu)和有序CNC的潛力，但這種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)通常具有非連續(xù)表面，尤其是在垂直方向上。此外，這些技術(shù)中的許多參數(shù)會(huì)影響CNC在三維成型結(jié)構(gòu)中的排列，例如ink的固有流變性/粘度、剪切速率、噴嘴幾何形狀和凝固劑的選擇。另一個(gè)關(guān)鍵問題是結(jié)構(gòu)體的力學(xué)性能，在含有CNC的三維復(fù)合材料中，有序排列的CNC如何發(fā)揮作用？是否還有其他影響因素？
圖1 含有CNC的類雙曲面3D結(jié)構(gòu)的制備過程。
近日，德國(guó)哥廷根大學(xué)張凱教授課題組通過“拉伸-松弛-干燥”動(dòng)態(tài)共價(jià)水凝膠的方式制備了具有類似雙曲面的中空三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)（圖1）。這種方法的特點(diǎn)是CNC在里面是有取向的，且曲面具有連續(xù)性：基于機(jī)械拉伸和空氣干燥過程，動(dòng)態(tài)水凝膠中的CNC可以單軸排列；除了力學(xué)增強(qiáng)之外，還提供額外的光學(xué)雙折射現(xiàn)象（圖2）；所獲得的類雙曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)可由原始水凝膠的形態(tài)和機(jī)械拉伸的條件控制；類雙曲面結(jié)構(gòu)的表面可以通過空氣干燥過程進(jìn)一步優(yōu)化，從而獲得光滑、連續(xù)和彎曲的表面。更為重要的是，研究發(fā)現(xiàn)這種3D形狀結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能不僅依賴于CNC的有序排列，而且與結(jié)構(gòu)固有的幾何形狀有很大關(guān)系（圖3）。這些結(jié)果將為設(shè)計(jì)和制造具有固定形態(tài)、力學(xué)性能和功能的先進(jìn)材料提供新的視角。
圖2 類雙曲面3D結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)。
展開 西南大學(xué)黃進(jìn)教授和甘霖副教授提出負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)力學(xué)強(qiáng)化輕質(zhì)化生物基材料的普適性方法：軸向/徑向控比粘彈性壓縮多孔材料負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)化
隨著社會(huì)各界對(duì)于傳統(tǒng)石油基材料廢棄物引發(fā)的環(huán)境問題日益重視及“限塑令”的實(shí)施，傳統(tǒng)石油基材料被具有良好的生物相容性、可降解性、可再生性的生物基材料逐步取代是大勢(shì)所趨。生物基氣凝膠、泡沫等輕質(zhì)化材料作為生物基材料典型代表，具有低原料消耗、廢棄物可資源化優(yōu)勢(shì)，在生物傳感、醫(yī)療設(shè)備、汽車船舶等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，輕質(zhì)化必將導(dǎo)致本身力學(xué)性能不足的生物基材料因密度急劇降低而力學(xué)性能進(jìn)一步大幅降低，因此限制了輕質(zhì)化生物基材料在各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。因此，為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，輕質(zhì)化生物基材料的物理或化學(xué)改性增強(qiáng)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。但是，目前的改性手段均采取引入新物質(zhì)到生物基材料改性的方式，引入的新物質(zhì)不但增加了生產(chǎn)成本與難度，也大大增加生產(chǎn)制造過程中的不可控因素，不利于規(guī)模化生產(chǎn)；同時(shí)改性的增強(qiáng)程度有限，難以實(shí)現(xiàn)高性能化；更在單方面加強(qiáng)力學(xué)性能時(shí)不可避免地對(duì)生物相容性、可降解性等其他性能產(chǎn)生不可控的負(fù)面影響。
基于以上關(guān)鍵科學(xué)問題，西南大學(xué)黃進(jìn)教授和甘霖副教授團(tuán)隊(duì)提出了針對(duì)輕質(zhì)化生物基材料構(gòu)建負(fù)泊松比超結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能大幅提升強(qiáng)化的普適性方法，即在生物基材料基體內(nèi)部設(shè)計(jì)并構(gòu)建三維負(fù)泊松比胞元結(jié)構(gòu)陣列，通過自下而上的負(fù)泊松比效應(yīng)賦予輕質(zhì)化生物基材料超力學(xué)性能。該工作首先設(shè)計(jì)了功能性強(qiáng)、易調(diào)控的內(nèi)凹多面體胞元結(jié)構(gòu)，然后以典型生物質(zhì)聚酯—聚丁二酸丁二醇酯（PBS）為原料，采取綠色環(huán)保的超臨界流體發(fā)泡技術(shù)成功制得了輕質(zhì)化PBS多孔材料，最后在略高于軟化溫度的條件下通過軸向與徑向控比壓縮調(diào)控其泊松比，制得了負(fù)泊松比可調(diào)控的力學(xué)超材料—負(fù)泊松比PBS材料（PBS-NPR）。
展開 復(fù)合材料力學(xué)中的蔡氏模量Tsai's modulus
(5)master ply:主鋪層或平均主剛度（目前國(guó)內(nèi)沒有統(tǒng)一的翻譯），指的是多種材料的Trace歸一化剛度系數(shù)或Trace歸一化等效工程常數(shù)的平均值[2-4]。歸一化以后，不同的材料會(huì)呈現(xiàn)相似的力學(xué)性能。如下表所示。
上述表格中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，十幾種復(fù)合材料本來(lái)的力學(xué)性能是差異很大的，但經(jīng)過歸一化處理之后，Qxx*和Ex*的數(shù)值分別接近于0.885和0.880，且數(shù)據(jù)變異系數(shù)僅有1.5%。0.88代表了纖維主導(dǎo)的剛度占據(jù)了總剛度的88%，而基體主導(dǎo)的橫向剛度及剪切剛度總和僅占據(jù)12%。因此，即使Qyy*,Qxy*,Qss*，Ey*,Gxy*變異系數(shù)較大，但復(fù)合成層壓板之后，對(duì)層壓板剛度的影響是有限的。這一規(guī)律是采用蔡氏模量對(duì)層壓板剛度進(jìn)行快速估算的基本前提。
用圖片展示的話就是下面這張圖的樣子[3]：
以下是幾種不同材料、不同鋪層組成的層壓板的歸一化剛度對(duì)比，可以看出數(shù)據(jù)的分散度是比較小的。
以復(fù)合毯式曲線形式進(jìn)行展示就是下面這個(gè)樣子，左側(cè)為不同材料的實(shí)際層壓板剛度，右側(cè)為歸一化之后的無(wú)量綱剛度，原本差異很大的毯式曲線，歸一化處理之后呈現(xiàn)良好的一致性[11]：
了解以上概念能幫助讀者快速入門Trace方法。更多內(nèi)容可參考文末的參考文獻(xiàn)。
小結(jié)
在過去的六十年中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的基本原理未曾發(fā)生大的變化。由于復(fù)合材料各向異性及層狀堆棧的特點(diǎn)，經(jīng)典的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析都需要輸入不同方向的模量、強(qiáng)度等參數(shù)，結(jié)構(gòu)性能與鋪層材料、鋪層比例和鋪層順序密切相關(guān)。這使得復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)分析相比金屬結(jié)構(gòu)而言復(fù)雜很多。當(dāng)結(jié)構(gòu)選材、鋪層比例、鋪層順序發(fā)生改變時(shí)，都需要從新開展繁瑣的力學(xué)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，過程耗時(shí)長(zhǎng)，成本高。新的不變量理論（或基于蔡氏模量的分析方法）的發(fā)展對(duì)解決上述問題提供了新的思路。
展開 結(jié)構(gòu)力學(xué)淺說!!
在結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)于各種工程結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究中，針對(duì)研究對(duì)象還形成了一些研究領(lǐng)域，這方面主要有桿系結(jié)構(gòu)理論、薄壁結(jié)構(gòu)理論和整體結(jié)構(gòu)理論三大類。整體結(jié)構(gòu)是用整體原材料，經(jīng)機(jī)械銑切或經(jīng)化學(xué)腐蝕加工而成的結(jié)構(gòu)，它對(duì)某些邊界條件問題特別適用，常用作變厚度結(jié)構(gòu)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)展，又涌現(xiàn)出許多新型結(jié)構(gòu)，比如20世紀(jì)中期出現(xiàn)的夾層結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究方法主要有工程結(jié)構(gòu)的使用分析、實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和計(jì)算三種。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究中，這三方面往往是交替進(jìn)行并且是相輔相成的進(jìn)行的。
使用分析：就是在結(jié)構(gòu)的使用過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的情況進(jìn)行分析比較和總結(jié)，這是易行而又可靠的一種研究手段。使用分析對(duì)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)和改進(jìn)起著重要作用，新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也需要通過使用來(lái)檢驗(yàn)性能。
實(shí)驗(yàn)研究：能為鑒定結(jié)構(gòu)提供重要依據(jù)，這也是檢驗(yàn)和發(fā)展結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和計(jì)算方法的主要手段。實(shí)驗(yàn)研究分為模型實(shí)驗(yàn)、真實(shí)結(jié)構(gòu)部件實(shí)驗(yàn)、真實(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)三類，例如，飛機(jī)地面破壞實(shí)驗(yàn)、飛行實(shí)驗(yàn)和汽車的碰撞實(shí)驗(yàn)等。
理論分析和計(jì)算：結(jié)構(gòu)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)通常要耗費(fèi)較多的人力、物力和財(cái)力，因此只能有限度地進(jìn)行，特別是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期階段，一般多依靠對(duì)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行理論分析和計(jì)算。
在固體力學(xué)領(lǐng)域中，材料力學(xué)為結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展提供了必要的基本知識(shí)，彈性力學(xué)和塑性力學(xué)又是結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論基礎(chǔ)，另外結(jié)構(gòu)力學(xué)還與其它物理學(xué)科結(jié)合形成許多邊緣學(xué)科，比如流體彈性力學(xué)等。
結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門古老的學(xué)科，又是一門迅速發(fā)展的學(xué)科。新型工程材料和新型工程結(jié)構(gòu)的大量出現(xiàn)，向結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了新的研究?jī)?nèi)容并提出新的要求。計(jì)算機(jī)的發(fā)展，為結(jié)構(gòu)力學(xué)提供了有力的計(jì)算工具。
展開 仿生材料的微組織結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響
生物材料盡管由性能并不突出的簡(jiǎn)單組元在相對(duì)溫和的條件下組裝而成，但卻表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復(fù)雜而巧妙的組織結(jié)構(gòu)，特別是由此帶來(lái)的獨(dú)特的變形與斷裂機(jī)制和強(qiáng)韌化機(jī)理。
圖1 原使取向與受力之后微組織結(jié)構(gòu)的再取向
中科院某科研團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地闡明了天然生物材料梯度設(shè)計(jì)的形式、原則及其起到的作用與機(jī)制的基礎(chǔ)上，首次提出了新型材料組織結(jié)構(gòu)取向梯度的概念與設(shè)計(jì)原則，建立了組織結(jié)構(gòu)取向以及變形過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)再取向與材料力學(xué)性能之間的系統(tǒng)定量關(guān)系，通過控制微觀組織結(jié)構(gòu)取向?qū)崿F(xiàn)材料的局域剛度、強(qiáng)度與韌性的優(yōu)化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學(xué)性能。
圖2 材料通過微觀組織結(jié)構(gòu)再取向?qū)崿F(xiàn)綜合力學(xué)性能的全面同步提升
同時(shí)該課題組發(fā)現(xiàn)：材料在加載過程中發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)綜合力學(xué)性能的改善提供有效的途徑，如圖2所示。通過調(diào)整自身的組織結(jié)構(gòu)與所受外力之間的取向關(guān)系，材料在拉伸條件下的剛度和強(qiáng)度逐步提高，同時(shí)裂紋擴(kuò)展路徑逐漸偏離最大正應(yīng)力方向，因而斷裂韌性得以同步增強(qiáng)；而在壓縮條件下，材料的力學(xué)穩(wěn)定性與劈裂韌性也表現(xiàn)出同步增大的趨勢(shì)。因此，材料可以利用有限的變形實(shí)現(xiàn)其剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現(xiàn)出相互制約的關(guān)系。
(a) 復(fù)合結(jié)構(gòu)在受到壓力之后逐漸偏離正應(yīng)力方向；(b、c) 取向軸的角度偏離微觀、宏觀表述
圖3
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201705220
來(lái)源：材料前沿科技微信公眾號(hào)（ID：clqykj），作者：Mr.Five。
展開 3D打印點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)：材料疲勞容限設(shè)計(jì)與制造的力學(xué)性能綜述
傾斜支柱由松散粉末支撐，粉末的熱導(dǎo)率低于固體，不同的熱條件可能產(chǎn)生獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和高度不規(guī)則的表面形態(tài)。
?疲勞比任何其他機(jī)械性能更受制造工藝的影響，已有很多研究強(qiáng)調(diào)了缺陷的重要性。
3D打印零件的表面粗糙度包括大量的局部缺陷（也稱為微缺口），這些缺陷是疲勞裂紋萌生的潛在位置。3D打印技術(shù)參考曾詳述金屬材料的缺陷種類及其對(duì)疲勞性能的影響，在此我們不再展開討論（請(qǐng)查看延伸閱讀）。幾何缺陷也會(huì)對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為產(chǎn)生影響，為了在疲勞預(yù)測(cè)過程中采用更準(zhǔn)確的實(shí)際晶格結(jié)構(gòu)，可以使用CT掃描技術(shù)，在此方面北理工方岱寧院士團(tuán)隊(duì)有詳細(xì)研究。
北理工方岱寧院士團(tuán)隊(duì)3D打印的晶格結(jié)構(gòu)和拉伸試樣
很多有關(guān)晶格材料的文獻(xiàn)表明，大多數(shù)疲勞設(shè)計(jì)方法都依賴于實(shí)驗(yàn)，而這些實(shí)驗(yàn)是為處理選定的晶格結(jié)構(gòu)和材料而定制的，既費(fèi)時(shí)又昂貴。另一方面，現(xiàn)有的理論方法似乎缺乏準(zhǔn)確性，主要是因?yàn)樗鼈兊暮?jiǎn)化方法可能無(wú)法捕捉晶格結(jié)構(gòu)中的真實(shí)應(yīng)力分布。
展開 布里斯托大學(xué)力學(xué)頂刊：復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)綜述【收藏版】
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復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
（鋪層設(shè)計(jì)，或?qū)雍习逍阅茉O(shè)計(jì)）
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——根據(jù)結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算分析確定結(jié)構(gòu)尺寸和壁厚
二、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法
1）復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程
2）復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)的內(nèi)容
◆性能（材料）設(shè)計(jì)
根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求和使用條件，對(duì)組分材料進(jìn)行選擇、對(duì)復(fù)合材料的性能（包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等）進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體的內(nèi)容包括增強(qiáng)材料、基體材料、功能輔助材料的選擇；組分比設(shè)計(jì)；鋪層設(shè)計(jì)等。（一次結(jié)構(gòu)和二次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）
◆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（三次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）
根據(jù)載荷、介質(zhì)、環(huán)境條件，結(jié)合工藝與材料性能，通過計(jì)算分析與強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性校核，設(shè)計(jì)出不使產(chǎn)品發(fā)生破壞和過大變形的產(chǎn)品尺寸，既確保安全，又減少材料消耗。
◆工藝設(shè)計(jì)
針對(duì)產(chǎn)品的特點(diǎn)、性能要求和數(shù)量，選擇合適的成型工藝方法，使該產(chǎn)品不僅成型方便、質(zhì)量穩(wěn)定，而且成本較低。
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，以上三個(gè)方面相互關(guān)聯(lián)，是一個(gè)有機(jī)的整體，必須同時(shí)進(jìn)行。在材料設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到其工藝性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中包含了材料設(shè)計(jì)，材料與結(jié)構(gòu)往往在同一工藝過程中一次成型。
3）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本方法
A）結(jié)構(gòu)計(jì)算方法
◆解析法（按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)）
考慮到材料的各向異性，通過適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，采用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、板殼力學(xué)的方法，或者完全復(fù)合材料力學(xué)方法，計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力與變形情況，從而確定結(jié)構(gòu)的壁厚尺寸。
該方法簡(jiǎn)便，易被工程界所接受。目前一些標(biāo)準(zhǔn)化的復(fù)合材料產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都是采用這種方法。但是，對(duì)于有些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品或異形結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，很難對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算分析。
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材料力學(xué)的研究對(duì)象為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其幾何特征在一個(gè)方向上的尺寸遠(yuǎn)大于另外兩個(gè)方向，如方柱，圓柱、多邊形柱、長(zhǎng)桿、梁、軸等都屬于材料力學(xué)的研究對(duì)象。細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)是大自然中存在最為廣泛的結(jié)構(gòu)之一，也是人類最早認(rèn)識(shí)和使用的典型結(jié)構(gòu)之一。
在人類早期的工具中有許多屬于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，如棍棒、骨針（圖
1(a)
），以及石刀、石斧、石矛的把等，許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)也多利用細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)搭建而成。早在農(nóng)業(yè)文明早期，人們已經(jīng)學(xué)會(huì)利用樹枝搭建帳篷，一般用幾根樹枝，搭成穹窿，周圍抹上泥土，或搭上獸皮，樹葉等成為人類最早的建筑（圖
1(b)
）。因此，與細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的力學(xué)問題也最先被提出來(lái)，成為典型的力學(xué)結(jié)構(gòu)，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。
在材料力學(xué)中，根據(jù)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，可認(rèn)為材料力學(xué)只研究桿、軸、梁三類典型結(jié)構(gòu)。桿是指承受軸向拉力、或壓力的構(gòu)件，軸是指承受扭矩的構(gòu)件，梁是指承受彎矩（一般情況下還有剪力）的構(gòu)件。材料力學(xué)中，桿、軸、梁的概念雖然來(lái)源于工程，但并不等同于工程中的概念。
例如，本來(lái)承受軸向壓力的“柱”，如果發(fā)生傾斜后，其在內(nèi)力上將會(huì)產(chǎn)生彎矩，此時(shí)的柱就兼有了“梁”的受力特征；又如承載火車車廂的車軸，當(dāng)其不做動(dòng)力軸時(shí)，在車廂重力作用下，軸發(fā)生彎曲，在力學(xué)上也具有“梁”的受力特征。可見，材料力學(xué)中的桿、軸、梁實(shí)際上是依據(jù)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力特征而提出的力學(xué)模型，它們并不等同于工程概念中的桿、軸、梁。
必須注意到，材料力學(xué)主要以細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，以細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力為研究手段，以細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性為研究目標(biāo)。但也應(yīng)注意到，工程中除了細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，還要許多結(jié)構(gòu)不是細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，如樓板、儲(chǔ)氣罐、大壩、隧道，乃至更加復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)，對(duì)于這些非細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該如何確保它們的服役安全呢？
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（平行的三根鏈桿也看作會(huì)在無(wú)窮遠(yuǎn)處相交）
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材料力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，超全收藏！ 附材料力學(xué)劉鴻文下載
理論力學(xué)分為靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，顧名思義，這是打基礎(chǔ)的純理論；材料力學(xué)里面很多東西比較微觀，經(jīng)常會(huì)講到到某個(gè)截面上某個(gè)微小部分的力學(xué)分析，基本上就是對(duì)某個(gè)桿件的某些截面和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析；結(jié)構(gòu)力學(xué)主要涉及體系分析，分析中會(huì)忽略一些不必要的條件，比如桿件的軸向變形，而這部分在材料力學(xué)里面還專門論述過。
除此之外，還有流體力學(xué)和土力學(xué)，相對(duì)來(lái)說，流體力學(xué)用的不是很多，土力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式太多了，在實(shí)踐中非常依賴于經(jīng)驗(yàn)和資料的積累。今天我們來(lái)聊一聊材料力學(xué)，有不對(duì)的地方，歡迎大家指正啊！
理論力學(xué)，研究剛體，研究力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系；材料力學(xué)，研究變形體，研究力與變形的關(guān)系。
材料力學(xué) (strength of materials) 主要研究對(duì)象是彈性體。對(duì)于彈性體，除了平衡問題外，還將涉及到變形以及力和變形之間的關(guān)系。此外，由于變形，在材料力學(xué)中還將涉及到彈性體的失效以及與失效有關(guān)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
將材料力學(xué)理論和方法應(yīng)用于工程，即可對(duì)桿類構(gòu)件或零件進(jìn)行常規(guī)的靜力學(xué)設(shè)計(jì)，包括強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。
材料力學(xué)的基本概念
在工程靜力學(xué)中，忽略了物體的變形，將所研究的對(duì)象抽象為剛體。
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