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Composite Materials : Design and Applications, Third Edition
发布日期:2015-12-08  浏览

Composite Materials : Design and Applications, Third Edition

[Book Description]

Considered to have contributed greatly to the pre-sizing of composite structures, Composite Materials: Design and Applications is a popular reference book for designers of heavily loaded composite parts.Fully updated to mirror the exponential growth and development of composites, this English-language Third Edition: * Contains all-new coverage of nanocomposites and biocomposites * Reflects the latest manufacturing processes and applications in the aerospace, automotive, naval, wind turbine, and sporting goods industries * Provides a design method to define composite multilayered plates under loading, along with all numerical information needed for implementation * Proposes original study of composite beams of any section shapes and thick-laminated composite plates, leading to technical formulations that are not found in the literature * Features numerous examples of the pre-sizing of composite parts, processed from industrial cases and reworked to highlight key information * Includes test cases for the validation of computer software using finite elements Consisting of three main parts, plus a fourth on applications, Composite Materials: Design and Applications, Third Edition features a technical level that rises in difficulty as the text progresses, yet each part still can be explored independently.While the heart of the book, devoted to the methodical pre-design of structural parts, retains its original character, the contents have been significantly rewritten, restructured, and expanded to better illustrate the types of challenges encountered in modern engineering practice.

[Table of Contents]
 
Preface                                            xix
Acknowledgments                                    xxi
Author                                             xxiii
Section I Principles Of Construction
  1 Composite Materials: Interest and Physical     3    (14)
  Properties
    1.1 What Is a Composite Material?              3    (1)
      1.1.1 Broad Definition                       3    (1)
      1.1.2 Main Features                          4    (1)
    1.2 Fibers and Matrices                        4    (3)
      1.2.1 Fibers                                 4    (3)
        1.2.1.1 Definition                         4    (1)
        1.2.1.2 Principal Fiber Materials          5    (1)
        1.2.1.3 Relative Importance of             6    (1)
        Different Fibers in Applications
      1.2.2 Materials for Matrices                 7    (1)
    1.3 What Can Be Made Using Composite           7    (2)
    Materials?
    1.4 A Typical Example of Interest              9    (1)
    1.5 Some Examples of Classical Design          10   (1)
    Replaced by Composite Solutions
    1.6 Main Physical Properties                   10   (7)
  2 Manufacturing Processes                        17   (12)
    2.1 Molding Processes                          17   (5)
      2.1.1 Contact Molding                        17   (1)
      2.1.2 Compression Molding                    18   (1)
      2.1.3 Vacuum Molding                         18   (1)
      2.1.4 Resin Injection Molding                19   (1)
      2.1.5 Injection Molding with Prepreg         20   (1)
      2.1.6 Foam Injection Molding                 20   (1)
      2.1.7 Molding of Hollow Axisymmetric         20   (2)
      Components
    2.2 Other Forming Processes                    22   (4)
      2.2.1 Sheet Forming                          22   (1)
      2.2.2 Profile Forming                        23   (1)
      2.2.3 Forming by Stamping                    23   (1)
      2.2.4 Preforming by Three-Dimensional        24   (1)
      Assembly
        2.2.4.1 Example: Carbon/Carbon             24   (1)
        2.2.4.2 Example: Silicon/Silicon           24   (1)
      2.2.5 Automated Tape Laying and Fiber        24   (2)
      Placement
        2.2.5.1 Necessity of Automation            24   (1)
        2.2.5.2 Example                            24   (1)
        2.2.5.3 Example                            25   (1)
        2.2.5.4 Example: Robots and Software       25   (1)
        for AFP-Automatic Fiber Placement
        Coriolis Composites (FRA)
    2.3 Practical Considerations on                26   (3)
    Manufacturing Processes
      2.3.1 Acronyms                               26   (1)
      2.3.2 Cost Comparison                        27   (2)
  3 Ply Properties                                 29   (40)
    3.1 Isotropy and Anisotropy                    29   (4)
      3.1.1 Isotropic Materials                    31   (1)
      3.1.2 Anisotropic Material                   32   (1)
    3.2 Characteristics of the                     33   (3)
    Reinforcement-Matrix Mixture
      3.2.1 Fiber Mass Fraction                    34   (1)
      3.2.2 Fiber Volume Fraction                  34   (1)
      3.2.3 Mass Density of a Ply                  35   (1)
      3.2.4 Ply Thickness                          35   (1)
    3.3 Unidirectional Ply                         36   (5)
      3.3.1 Elastic Modulus                        36   (2)
      3.3.2 Ultimate Strength of a Ply             38   (1)
      3.3.3 Examples                               39   (2)
      3.3.4 Examples of High-Performance           41   (1)
      Unidirectional Plies
    3.4 Woven Ply                                  41   (4)
      3.4.1 Forms of Woven Fabrics                 41   (1)
      3.4.2 Elastic Modulus of Fabric Layer        42   (1)
      3.4.3 Examples of Balanced Fabric/Epoxy      43   (2)
    3.5 Mats and Reinforced Matrices               45   (4)
      3.5.1 Mats                                   45   (1)
      3.5.2 Example: A Summary of Glass/Epoxy      45   (1)
      Layers
      3.5.3 Microspherical Fillers                 45   (3)
      3.5.4 Other Classical Reinforcements         48   (1)
    3.6 Multidimensional Fabrics                   49   (1)
      3.6.1 Example: A Four-Dimensional            49   (1)
      Architecture of Carbon Reinforcement
      3.6.2 Example: Three-Dimensional             50   (1)
      Carbon/Carbon Components
    3.7 Metal Matrix Composites                    50   (3)
      3.7.1 Some Examples                          50   (2)
      3.7.2 Unidirectional Fibers/Aluminum         52   (1)
      Matrix
    3.8 Biocomposite Materials                     53   (4)
      3.8.1 Natural Plant Fibers                   53   (1)
        3.8.1.1 Natural Fibers                     53   (1)
        3.8.1.2 Pros                               53   (1)
        3.8.1.3 Cons                               53   (1)
        3.8.1.4 Examples                           54   (1)
      3.8.2 Natural Vegetable Fiber-Reinforced     54   (2)
      Composites
        3.8.2.1 Mechanical Properties              54   (1)
        3.8.2.2 Biodegradable Matrices             54   (2)
      3.8.3 Manufacturing Processes                56   (1)
        3.8.3.1 With Thermosetting Resins          56   (1)
        3.8.3.2 With Thermoplastic Resins          57   (1)
    3.9 Nanocomposite Materials                    57   (9)
      3.9.1 Nanoreinforcement                      57   (4)
        3.9.1.1 Nanoreinforcement Shapes           57   (1)
        3.9.1.2 Properties of Nanoreinforcements   58   (3)
      3.9.2 Nanocomposite Material                 61   (1)
      3.9.3 Mechanical Applications                62   (2)
        3.9.3.1 Improvement in Mechanical          62   (2)
        Properties
        3.9.3.2 Further Examples of                64   (1)
        Nonmechanical Applications
      3.9.4 Manufacturing of Nanocomposite         64   (2)
      Materials
    3.10 Tests                                     66   (3)
  4 Sandwich Structures                            69   (16)
    4.1 What Is a Sandwich Structure?              69   (2)
      4.1.1 Their Properties Are Surprising        69   (1)
      4.1.2 Constituent Materials                  70   (1)
    4.2 Simplified Flexure                         71   (3)
      4.2.1 Stress                                 71   (1)
      4.2.2 Displacements                          72   (2)
        4.2.2.1 Contributions of Bending Moment    72   (1)
        M and of Shear Force T
        4.2.2.2 Example: A Cantilever Sandwich     73   (1)
        Structure
    4.3 Some Special Features of Sandwich          74   (2)
    Structures
      4.3.1 Comparison of Mass for the Same        74   (1)
      Flexural Rigidity <EI>
      4.3.2 Deterioration by Buckling of           74   (2)
      Sandwich Structures
        4.3.2.1 Global Buckling                    75   (1)
        4.3.2.2 Local Buckling of the Skins        75   (1)
      4.3.3 Other Types of Damage                  76   (1)
    4.4 Manufacturing and Design Problems          76   (4)
      4.4.1 Example of Core Material: Honeycomb    76   (1)
      4.4.2 Shaping Processes                      77   (1)
        4.4.2.1 Machining                          77   (1)
        4.4.2.2 Deformation                        77   (1)
        4.4.2.3 Some Other Considerations          77   (1)
      4.4.3 Inserts and Attachment Fittings        78   (1)
      4.4.4 Repair of Laminated Facings            79   (1)
    4.5 Nondestructive Inspection                  80   (5)
      4.5.1 Main Nondestructive Inspection         80   (1)
      Methods
      4.5.2 Acoustic Emission Testing              81   (4)
  5 Conception: Design and Drawing                 85   (50)
    5.1 Drawing a Composite Part                   85   (3)
      5.1.1 Specific Properties                    85   (1)
      5.1.2 Guide Values of Presizing              86   (2)
        5.1.2.1 Material Characteristics           86   (2)
        5.1.2.2 Design Factors                     88   (1)
    5.2 Laminate                                   88   (10)
      5.2.1 Unidirectional Layers and Fabrics      88   (1)
        5.2.1.1 Unidirectional Layer               88   (1)
        5.2.1.2 Fabrics                            89   (1)
      5.2.2 Correct Ply Orientation                89   (1)
      5.2.3 Laminate Drawing Code                  90   (6)
        5.2.3.1 Standard Orientations              90   (1)
        5.2.3.2 Laminate Middle Plane              90   (3)
        5.2.3.3 Description of the Stacking        93   (1)
        Order
        5.2.3.4 Midplane Symmetry                  93   (1)
        5.2.3.5 Specific Case of Balanced          94   (1)
        Fabrics
        5.2.3.6 Technical Minimum                  95   (1)
      5.2.4 Arrangement of Plies                   96   (2)
        5.2.4.1 Proportion and Number of Plies     96   (1)
        5.2.4.2 Example of Pictorial               97   (1)
        Representation
        5.2.4.3 Case of Sandwich Structure         97   (1)
    5.3 Failure of Laminates                       98   (4)
      5.3.1 Damages                                98   (2)
        5.3.1.1 Types of Failure                   98   (1)
        5.3.1.2 Note: Classical Maximum Stress     99   (1)
        Criterion Shows Its Limits
      5.3.2 Most Frequently Used Criterion:        100  (2)
      Tsai-Hill Failure Criterion
        5.3.2.1 Tsai-Hill Number                   100  (1)
        5.3.2.2 Notes                              101  (1)
        5.3.2.3 How to Determine the Stress        101  (1)
        Components σl, σt, and
        τlt in Each Ply
    5.4 Presizing of the Laminate                  102  (33)
      5.4.1 Modulus of Elasticity-Deformation      102  (1)
      of a Laminate
        5.4.1.1 Varying Proportions of Plies       102  (1)
        5.4.1.2 Example of Using Tables            103  (1)
      5.4.2 Case of Simple Loading                 103  (6)
      5.4.3 Complex Loading Case: Approximative    109  (10)
      Proportions According to Orientations
        5.4.3.1 When the Normal and Tangential     109  (5)
        (Shear) Loads Are Applied Simultaneously
        5.4.3.2 Example                            114  (3)
        5.4.3.3 Note                               117  (2)
      5.4.4 Complex Loading Case: Optimum          119  (8)
      Composition of a Laminate
        5.4.4.1 Optimum Laminate                   119  (3)
        5.4.4.2 Example                            122  (3)
        5.4.4.3 Example                            125  (1)
        5.4.4.4 Notes                              126  (1)
      5.4.5 Notes for Practical Use Concerning     127  (8)
      Laminates
        5.4.5.1 Specific Aspects for the Design    127  (1)
        of Laminates
        5.4.5.2 Delaminations                      128  (1)
        5.4.5.3 Why Is Fatigue Resistance So       129  (4)
        Good?
        5.4.5.4 Laminated Tubes                    133  (2)
  6 Conception: Fastening and Joining              135  (20)
    6.1 Riveting and Bolting                       135  (8)
      6.1.1 Local Loss of Strength                 135  (3)
        6.1.1.1 Knock-Down Factor                  135  (1)
        6.1.1.2 Causes of Hole Degradation         136  (2)
      6.1.2 Main Failure Modes in Bolted Joints    138  (1)
      of Composite Materials
      6.1.3 Sizing of the Joint                    138  (2)
        6.1.3.1 Recommended Values                 138  (2)
        6.1.3.2 Evaluation of Magnified Stress     140  (1)
        Values
      6.1.4 Riveting                               140  (1)
      6.1.5 Bolting                                141  (2)
        6.1.5.1 Example of Bolted Joint            141  (2)
        6.1.5.2 Tightening of the Bolt             143  (1)
    6.2 Bonding                                    143  (9)
      6.2.1 Adhesives Used                         143  (2)
      6.2.2 Geometry of the Bonded Joints          145  (1)
      6.2.3 Sizing of the Bonding Surface Area     146  (4)
        6.2.3.1 Strength of Adhesive               146  (1)
        6.2.3.2 Design                             147  (1)
        6.2.3.3 Stress in Bonded Areas             148  (2)
        6.2.3.4 Example of Single-Lap Adhesive     150  (1)
        Joint
      6.2.4 Case of Bonded Joint with              150  (1)
      Cylindrical Geometry
        6.2.4.1 Bonded Circular Flange             150  (1)
        6.2.4.2 Tubes Fitted and Bonded into       150  (1)
        One Another
      6.2.5 Examples of Bonding                    150  (2)
        6.2.5.1 Laminates                          150  (2)
    6.3 Inserts                                    152  (3)
      6.3.1 Case of Sandwich Parts                 152  (2)
      6.3.2 Case of Parts under Uniaxial Loads     154  (1)
  7 Composite Materials and Aerospace              155  (48)
  Construction
    7.1 Aircraft                                   155  (24)
      7.1.1 Composite Components in Aircraft       155  (1)
      7.1.2 Allocation of Composites Depending     156  (2)
      on Their Nature
        7.1.2.1 Glass/Epoxy, Kevlar/Epoxy          156  (1)
        7.1.2.2 Carbon/Epoxy                       157  (1)
        7.1.2.3 Boron/Epoxy                        157  (1)
        7.1.2.4 Honeycombs                         157  (1)
      7.1.3 Few Comments                           158  (1)
      7.1.4 Specific Aspects of Structural         158  (1)
      Strength
      7.1.5 Large Transport Aircraft               159  (6)
        7.1.5.1 Example                            159  (1)
        7.1.5.2 How to Determine the Benefits      159  (2)
        7.1.5.3 Example: Civil Transport           161  (1)
        Aircraft A380-800, Airbus (EUR)
        7.1.5.4 Example: Civil Transport           161  (2)
        Aircraft B 787-800, Boeing (USA)
        7.1.5.5 Example: Civil Transport           163  (2)
        Aircraft A350-900, Airbus (EUR)
      7.1.6 Regional Airciaft and Business Jets    165  (3)
        7.1.6.1 Example: Regional Aircraft ATR     165  (1)
        72-600, FADS (EUR), Alenia (ITA)
        7.1.6.2 Example: Business Aircraft         165  (1)
        Falcon, Dassault Aviation (FRA)
        7.1.6.3 Example: Cargo Aircraft WK2 and    166  (2)
        Suborbital Space Plane SST2, Scaled
        Composites (USA)-Virgin Group (UK)
      7.1.7 Light Aircraft                         168  (2)
        7.1.7.1 Trends                             168  (1)
        7.1.7.2 Aircraft with Tractor Propeller    168  (1)
        7.1.7.3 Aircraft with Pusher Propeller     169  (1)
        7.1.7.4 Modern Glider Planes               170  (1)
      7.1.8 Fighter Aircraft                       170  (1)
      7.1.9 Architecture and Manufacture of        171  (7)
      Composite Aircraft Parts
        7.1.9.1 Sandwich Design                    171  (2)
        7.1.9.2 Rib-Stiffened Panels               173  (5)
      7.1.10 Braking Systems                       178  (1)
    7.2 Helicopters                                179  (7)
      7.2.1 Situation                              179  (1)
      7.2.2 Composite Areas                        180  (1)
        7.2.2.1 Example: Helicopter EC 145 T2,     180  (1)
        Airbus-Helicopter (EUR)
        7.2.2.2 Example: Helicopter X4,            180  (1)
        Thales-Safran (FRA), Airbus-Helicopter
        (EUR)
      7.2.3Blades                                 181  (2)
        7.2.3.1 Design of a Main Rotor Blade       181  (1)
        7.2.3.2 Advantages                         181  (1)
        7.2.3.3 Consequences                       181  (2)
      7.2.4 Rotor Hub                              183  (1)
        7.2.4.1 Example: Rotor Hub Starflex,       183  (1)
        Eurocopter (FRA-GER)
        7.2.4.2 Example: Rotor Hub Spheriflex,     184  (1)
        Eurocopter (FRA-GER)
      7.2.5 Other Working Composite Parts          184  (2)
    7.3 Airplane Propellers                        186  (4)
      7.3.1 Propellers for Conventional            186  (2)
      Aerodynamics
        7.3.1.1 Example: Propeller Blade,          186  (1)
        Hamilton Sundstrand (USA)-Ratier Figeac
        (FRA)
        7.3.1.2 Example: Airplane with Tilt        187  (1)
        Rotors, V-22 Osprey Bell Boeing (USA)
        and Dowty Propellers (UK)
      7.3.2 High-Speed Propellers                  188  (2)
    7.4 Aircraft Reaction Engine                   190  (4)
      7.4.1 Employed Materials                     190  (1)
      7.4.2 Refractory Composites                  191  (3)
        7.4.2.1 Specific Features                  191  (1)
        7.4.2.2 Fibers                             191  (1)
        7.4.2.3 Matrices                           192  (1)
        7.4.2.4 Applications                       192  (1)
        7.4.2.5 Example: Jet Engine Leapョ, CFM     193  (1)
        International, General Electric
        (USA)-SNECMA (FRA)
    7.5 Space Applications                         194  (9)
      7.5.1 Satellites                             194  (1)
      7.5.2 Propellant Tanks and Pressure          195  (1)
      Vessels
      7.5.3 Nozzles                                196  (2)
      7.5.4 Other Composite Components for         198  (5)
      Space Application
        7.5.4.1 For Engines                        198  (1)
        7.5.4.2 For Thermal Protection             198  (2)
        7.5.4.3 For Energy Storage                 200  (3)
  8 Composite Materials for Various Applications   203  (30)
    8.1 Comparative Importance of Composites in    203  (3)
    Applications
      8.1.1 Relative Importance in terms of        204  (1)
      Mass and Market Value
      8.1.2 Mass of Composites Implemented         205  (1)
      According to the Geographical Area
      8.1.3 Average Prices                         205  (1)
    8.2 Composite Materials and Automotive         206  (11)
    Industry
      8.2.1 Introduction                           206  (2)
        8.2.1.1 Example: Golf Model, Volkswagen    206  (1)
        (GER)
        8.2.1.2 Relative Weight Importance of      207  (1)
        Materials
      8.2.2 Composite Parts                        208  (6)
        8.2.2.1 Brief Reminder                     208  (1)
        8.2.2.2 Current Functional Design          208  (2)
        8.2.2.3 Notable Composite Components       210  (2)
        8.2.2.4 Notes                              212  (1)
        8.2.2.5 Use of Natural Fibers              213  (1)
      8.2.3 Research and Development               214  (2)
        8.2.3.1 Structure                          215  (1)
        8.2.3.2 Mechanical Parts                   215  (1)
      8.2.4 Motor Racing                           216  (1)
    8.3 Wind Turbines                              217  (2)
      8.3.1 Components                             217  (1)
      8.3.2 Manufacturing Processes                218  (1)
    8.4 Composites and Shipbuilding                219  (4)
      8.4.1 Competition                            219  (4)
        8.4.1.1 Example: Ocean-Going               220  (2)
        Maxi-Trimaran
        8.4.1.2 Example: Single Scull              222  (1)
        8.4.1.3 Example: Surfboard                 223  (1)
      8.4.2 Vessels                                223  (1)
    8.5 Sports and Leisure                         223  (3)
      8.5.1 Skis                                   223  (2)
        8.5.1.1 Equipment of a Skier               223  (1)
        8.5.1.2 Main Components of a Ski           224  (1)
      8.5.2 Bicycles                               225  (1)
        8.5.2.1 Machine                            226  (1)
        8.5.2.2 Other Specific Equipments          226  (1)
      8.5.3 Tennis Rackets                         226  (1)
    8.6 Diverse Applications                       226  (7)
      8.6.1 Pressure Gas-Bottle                    226  (1)
      8.6.2 Bogie Frame                            227  (1)
      8.6.3 Tubes for Offshore Installations       227  (1)
      8.6.4 Biomechanical Applications             228  (1)
      8.6.5 Cable Car                              229  (4)
Section II Mechanical Behavior Of Laminated
Materials
  9 Anisotropic Elastic Medium                     233  (6)
    9.1 Some Reminders                             233  (3)
      9.1.1 Continuum Mechanics                    233  (1)
      9.1.2 Number of Distinct φijkl Terms     234  (2)
    9.2 Orthotropic Material                       236  (1)
    9.3 Transversely Isotropic Material            236  (3)
  10 Elastic Constants of Unidirectional           239  (10)
  Composites
    10.1 Longitudinal Modulus El                   239  (2)
    10.2 Poisson Coefficient                       241  (1)
    10.3 Transverse Modulus Et                     242  (2)
    10.4 Shear Modulus Glt                         244  (1)
    10.5 Thermoelastic Properties                  245  (4)
      10.5.1 Isotropic Material: Recall            245  (1)
      10.5.2 Case of Unidirectional Composite      246  (2)
        10.5.2.1 Coefficient of Thermal            246  (1)
        Expansion along the Direction l
        10.5.2.2 Coefficient of Thermal            247  (1)
        Expansion along the Transverse
        Direction t
      10.5.3 Thermomechanical Behavior of a        248  (1)
      Unidirectional Layer
  11 Elastic Constants of a Ply in Any Direction   249  (14)
    11.1 Flexibility Coefficients                  249  (6)
    11.2 Stiffness Coefficients                    255  (2)
    11.3 Case of Thermomechanical Loading          257  (6)
      11.3.1 Flexibility Coefficients              257  (2)
      11.3.2 Stiffness Coefficients                259  (4)
  12 Mechanical Behavior of Thin Laminated         263  (26)
  Plates
    12.1 Laminate with Midplane Symmetry           263  (20)
      12.1.1 Membrane Behavior                     263  (4)
        12.1.1.1 Loadings                          263  (1)
        12.1.1.2 Displacement Field                264  (3)
      12.1.2 Apparent Elastic Moduli of the        267  (1)
      Laminate
      12.1.3 Consequence: Practical                267  (5)
      Determination of a Laminate Subject to
      Membrane Loading
        12.1.3.1 Givens of the Problem             267  (1)
        12.1.3.2 Principle, of Calculation         268  (1)
        12.1.3.3 Calculation Procedure             269  (3)
      12.1.4 Flexure Behavior                      272  (6)
        12.1.4.1 Displacement Field                272  (1)
        12.1.4.2 Loadings                          273  (2)
        12.1.4.3 Notes                             275  (3)
      12.1.5 Consequence: Practical                278  (1)
      Determination of a Laminate Subject to
      Flexure
      12.1.6 Simplified Calculation for Bending    278  (2)
        12.1.6.1 Apparent Failure Strength in      278  (1)
        Bending
        12.1.6.2 Apparent Flexure Modulus          279  (1)
      12.1.7 Thermomechanical Loading Case         280  (3)
        12.1.7.1 Membrane Behavior                 280  (3)
        12.1.7.2 Behavior under Bending            283  (1)
    12.2 Laminate without Midplane Symmetry        283  (6)
      12.2.1 Coupled Membrane-Flexure Behavior     283  (2)
      12.2.2 Case of Thermomechanical Loading      285  (4)
Section III Justifications, Composite Beams,
And Thick Laminated Plates
  13 Elastic Coefficients                          289  (14)
    13.1 Elastic Coefficients for an               289  (3)
    Orthotropic Material
      13.1.1 Reminders                             289  (1)
      13.1.2 Elastic Behavior Equation in          290  (2)
      Orthotropic Axes
    13.2 Elastic Coefficients for a Transverse     292  (10)
    Isotropic Material
      13.2.1 Elastic Behavior Equation             292  (3)
      13.2.2 Rotation about an Orthotropic         295  (8)
      Transverse Axis
        13.2.2.1 Problem                           295  (5)
        13.2.2.2 Technical Form                    300  (2)
    13.3 Case of a Ply                             302  (1)
  14 Damage in Composite Parts: Failure Criteria   303  (24)
    14.1 Damage in Composite Parts                 303  (7)
      14.1.1 Industrial Emphasis of the Problem    303  (1)
        14.1.1.1 Causes of Damage                  303  (1)
        14.1.1.2 Diversity of Composite Parts      304  (1)
      14.1.2 Influence of Manufacturing Process    304  (1)
        14.1.2.1 Example: Injected Part with       305  (1)
        Short Fibers
        14.1.2.2 Example: Parts with Pronounced    305  (1)
        Curvatures
      14.1.3 Typical Area and Singularities in     305  (1)
      a Same Part
      14.1.4 Degradation Process within the        306  (4)
      Typical Area
        14.1.4.1 Example: Composite Short Fiber    306  (1)
        Plate
        14.1.4.2 Example: Laminate Consisting      307  (3)
        of Unidirectional Plies
    14.2 Form of a Failure Criterion               310  (6)
      14.2.1 Features of a Failure Criterion       310  (1)
        14.2.1.1 Failure Criterion Is a Design     310  (1)
        Tool
        14.2.1.2 Many Criteria                     310  (1)
      14.2.2 General Form of a Failure Criterion   310  (2)
        14.2.2.1 Development of a Criterion        310  (1)
        14.2.2.2 Case of an Orthotropic Material   311  (1)
      14.2.3 Linear Failure Criterion              312  (2)
        14.2.3.1 Example: Plane State of Stress    312  (1)
        in an Orthotropic Material
        14.2.3.2 Example: Maximum Stress           313  (1)
        Failure Criterion
        14.2.3.3 Note: Maximum Eligible Strain     313  (1)
        Criterion
      14.2.4 Quadratic Failure Criterion           314  (2)
        14.2.4.1 General Form                      314  (1)
        14.2.4.2 Specific Case of Plane Stress     314  (1)
        14.2.4.3 Note: Simplified Form for the     315  (1)
        Quadratic Criterion
    14.3 Tsai-Hill Failure Criterion               316  (11)
      14.3.1 Isotropic Material: The von Mises     316  (4)
      Criterion
        14.3.1.1 Material Is Elastic and           316  (2)
        Isotropic
        14.3.1.2 Notes                             318  (2)
      14.3.2 Orthotropic Material: Tsai-Hill       320  (4)
      Criterion
        14.3.2.1 Notes                             320  (1)
        14.3.2.2 Case of a Transversely            321  (2)
        Isotropic Material
        14.3.2.3 Case of Unidirectional Ply        323  (1)
        under In-Plane Loading
      14.3.3 Evolution of Strength Properties      324  (4)
      of a Unidirectional Ply Depending on the
      Direction of Solicitation
        14.3.3.1 Tensile and Compressive           324  (1)
        Strength
        14.3.3.2 Shear Strength                    325  (2)
  15 Bending of Composite Beams of Any Section     327  (26)
  Shape
    15.1 Bending of Beams with Isotropic Phases    328  (18)
    and Plane of Symmetry
      15.1.1 Degrees of Freedom                    329  (3)
        15.1.1.1 Equivalent Stiffnesses            329  (1)
        15.1.1.2 Longitudinal Displacement         329  (1)
        15.1.1.3 Rotation of the Section           329  (1)
        15.1.1.4 Elastic Center                    330  (1)
        15.1.1.5 Transverse Displacement along     330  (1)
        y Direction
        15.1.1.6 Transverse Displacement along     331  (1)
        z Direction
      15.1.2 Perfect Bonding between the Phases    332  (1)
        15.1.2.1 Displacements                     332  (1)
        15.1.2.2 Strains                           332  (1)
        15.1.2.3 Stress                            333  (1)
      15.1.3 Equilibrium Relationships             333  (3)
        15.1.3.1 Longitudinal Equilibrium          333  (1)
        15.1.3.2 Transverse Equilibrium            334  (1)
        15.1.3.3 Moment Equilibrium                335  (1)
      15.1.4 Constitutive Equations                336  (1)
      15.1.5 Technical Formulation                 337  (5)
        15.1.5.1 Assumptions                       337  (1)
        15.1.5.2 Expression of Normal Stress       337  (1)
        15.1.5.3 Expression of Shear Stress        338  (2)
        15.1.5.4 Shear Coefficient for the         340  (2)
        Section
      15.1.6 Energy Interpretation                 342  (2)
        15.1.6.1 Energy Due to Normal Stress       342  (1)
        σxx
        15.1.6.2 Energy Due to Shear Stress        343  (1)
        ->τ
      15.1.7 Extension to the Dynamic Case         344  (2)
    15.2 Case of Beams of Any Cross Section        346  (7)
    (Asymmetric)
      15.2.1 Technical Formulation                 347  (4)
      15.2.2 Notes                                 351  (2)
  16 Torsion of Composite Beams of Any Section     353  (10)
  Shape
    16.1 Uniform Torsion                           353  (5)
      16.1.1 Torsional Degree of Freedom           354  (1)
      16.1.2 Constitutive Equation                 354  (1)
      16.1.3 Determination of Φ(y, z)          355  (2)
        16.1.3.1 Local Equilibrium                 355  (1)
        16.1.3.2 External Boundary Condition       356  (1)
        16.1.3.3 Internal Boundary Conditions      356  (1)
        16.1.3.4 Uniqueness of Function Φ      356  (1)
      16.1.4 Energy Interpretation                 357  (1)
    16.2 Location of the Torsion Center            358  (5)
      16.2.1 Coordinates in Principal Axes         358  (1)
      16.2.2 Summary of Results                    359  (2)
      16.2.3 Flexion-Torsion Coupling              361  (2)
  17 Bending of Thick Composite Plates             363  (30)
    17.1 Preliminary Remarks                       363  (4)
      17.1.1 Transverse Normal Stress σz     363  (1)
      17.1.2 Transverse Shear Stress τxz       364  (1)
      and τyz
      17.1.3 Assumptions                           365  (2)
    17.2 Displacement Field                        367  (2)
    17.3 Strains                                   369  (1)
    17.4 Constitutive Equations                    369  (4)
      17.4.1 Membrane Behavior                     369  (1)
      17.4.2 Bending Behavior                      370  (2)
      17.4.3 Transverse Shear Behavior             372  (1)
        17.4.3.1 Transverse Shear Resultant Qx     372  (1)
        17.4.3.2 Transverse Shear Resultant Qy     373  (1)
    17.5 Equilibrium Relationships                 373  (1)
      17.5.1 Transverse Equilibrium                373  (1)
      17.5.2 Equilibrium in Bending                374  (1)
    17.6 Technical Formulation for Bending         374  (11)
      17.6.1 Stress Due to Bending                 375  (1)
        17.6.1.1 Plane Stress Values               375  (1)
        17.6.1.2 Transverse Shear Stress Values    376  (1)
      17.6.2 Characterization of Warping           376  (1)
Increments in Bending ηx and ηy
      17.6.3 Particular Cases                      377  (3)
        17.6.3.1 Orthotropic Homogeneous Plate     377  (1)
        17.6.3.2 Cylindrical Bending about x-      378  (1)
        or y-Axis
        17.6.3.3 Multilayered Plate                379  (1)
        17.6.3.4 Consequences                      380  (1)
      17.6.4 Warping Functions                     380  (2)
        17.6.4.1 Boundary Conditions               380  (1)
        17.6.4.2 Interfacial Continuity            381  (1)
        17.6.4.3 Formulation of Warping            381  (1)
        Functions
      17.6.5 Consequences                          382  (2)
        17.6.5.1 Expression of Transverse Shear    382  (1)
        Stress
        17.6.5.2 Transverse Shear Coefficients     382  (2)
      17.6.6 Energy Interpretation                 384  (1)
    17.7 Examples                                  385  (8)
      17.7.1 Orthotropic Homogeneous Plate         385  (2)
      17.7.2 Sandwich Plate                        387  (3)
        17.7.2.1 Case of Two Orthotropic           387  (1)
        Materials
        17.7.2.2 Warping Functions                 388  (1)
        17.7.2.3 Transverse Shear Stress           389  (1)
        17.7.2.4 Transverse Shear Coefficients     389  (1)
      17.7.3 Conclusion                            390
Section IV Applications
  18 Applications Level 1                          393  (56)
    18.1 Simply Supported Sandwich Beam            393  (3)
    18.2 Poisson Coefficient of a                  396  (1)
    Unidirectional Layer
    18.3 Helicopter Blade                          397  (5)
    18.4 Drive Shaft for Trucks                    402  (6)
    18.5 Flywheel in Carbon/Epoxy                  408  (2)
    18.6 Wing Tip Made of Carbon/Epoxy             410  (13)
    18.7 Carbon Fiber Coated with Nickel           423  (2)
    18.8 Tube Made of Glass/Epoxy under Pressure   425  (3)
    18.9 Filament-Wound Pressure Vessel:           428  (3)
    Winding Angle
    18.10 Filament-Wound Pressure Vessel:          431  (4)
    Consideration of Openings in the Bottom
    Heads
    18.11 Determination of Fiber Volume            435  (1)
    Fraction by Pyrolysis
    18.12 Reversing Lever Made of Carbon/PEEK      436  (3)
    (Unidirectional and Short Fibers)
    18.13 Glass/Resin Telegraph Pole               439  (4)
    18.14 Unidirectional Layer of HR Carbon        443  (1)
    18.15 Manipulator Arm for a Space Shuttle      444  (5)
  19 Applications Level 2                          449  (74)
    19.1 Sandwich Beam: Simplified Calculation     449  (2)
    of the Shear Coefficient
    19.2 Procedure for a Laminate Calculation      451  (4)
    Program
    19.3 Kevlar/Epoxy Laminates: Stiffness in      455  (4)
    Terms of the Direction of Load
    19.4 Residual Thermal Stress Due to the        459  (3)
    Laminate Curing Process
    19.5 Thermoelastic Behavior of a               462  (3)
    Glass/Polyester Tube
    19.6 Creep of a Polymeric Tube Reinforced      465  (6)
    by Filament Wound under Thermal Stress
    19.7 First-Ply Failure of a Laminate:          471  (4)
    Ultimate Strength
    19.8 Optimum Laminate for Isotropic Plane      475  (6)
    Stress
    19.9 Laminate Made of Identical Layers of      481  (3)
    Balanced Fabric
    19.10 Carbon/Epoxy Wing Spar                   484  (7)
    19.11 Elastic Constants of a Carbon/Epoxy      491  (1)
    Unidirectional Layer, Based on Tensile Test
    19.12 Sailboat Hull in Glass/Polyester         492  (6)
    19.13 Balanced Fabric Ply: Determination of    498  (1)
    the In-Plane Shear Modulus
    19.14 Quasi-Isotropic Laminate                 499  (3)
    19.15 Pure Torsion of Orthotropic Plate        502  (4)
    19.16 Plate Made by Resin Transfer Molding     506  (6)
    19.17 Thermoelastic Behavior of a Balanced     512  (11)
    Fabric Ply
  20 Applications Level 3                          523  (48)
    20.1 Cylindrical Bonding                       523  (5)
    20.2 Double-Lap Bonded Joint                   528  (5)
    20.3 Composite Beam with Two Layers            533  (4)
    20.4 Buckling of a Sandwich Beam               537  (3)
    20.5 Shear Due to Bending in a Sandwich Beam   540  (4)
    20.6 Shear Due to Bending in a Composite       544  (3)
    Box Beam
    20.7 Torsion Center of a Composite U-Beam      547  (2)
    20.8 Shear Due to Bending in a Composite       549  (4)
    I-Beam
    20.9 Polymeric Column Reinforced by            553  (10)
    Filament-Wound Fiberglass
    20.10 Cylindrical Bending of a Thick           563  (1)
    Orthotropic Plate under Uniform Loading
    20.11 Bending of a Sandwich Plate              564  (3)
    20.12 Bending Vibration of a Sandwich Beam     567  (4)
Appendix A: Stresses in the Plies of a             571  (14)
Carbon/Epoxy-Laminate Loaded in Its Plane
Appendix B: Buckling of Orthotropic Structures     585  (10)
Bibliography                                       595  (4)
Index                                              599

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