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Physics · real student question

用反混合律計算纖維體積分率 0.483、纖維模數 282 GPa、基材模數 2.7 GPa 的複合材料積層板橫向勁度 E22(取到小數點後一位)。

Question

請用反混合律計算複合材料積層板的橫向勁度 E22E_{22},其中

Vf=0.483,Ef=282 GPa,Em=2.7 GPa.V_f=0.483,\qquad E_f=282\ \text{GPa},\qquad E_m=2.7\ \text{GPa}.

答案以 GPa 表示,取到小數點後一位。

Step-by-step solution

  1. 先弄懂橫向為什麼要用不同的公式。 沿纖維方向受載時,纖維與基材一起應變,勁度以並聯相加。橫過纖維受載時,兩者承受相同的應力、應變相加,所以相加的是柔度——這是串聯配置:

    1E22=VfEf+VmEm.\frac{1}{E_{22}}=\frac{V_f}{E_f}+\frac{V_m}{E_m}.

  2. 求出基材的體積分率。 兩相填滿整個體積,所以

    Vm=1−Vf=1−0.483=0.517.V_m=1-V_f=1-0.483=0.517.

  3. 分別算出兩個柔度項。

    VfEf=0.483282=0.00171277 GPa−1,VmEm=0.5172.7=0.19148148 GPa−1.\frac{V_f}{E_f}=\frac{0.483}{282}=0.00171277\ \text{GPa}^{-1},\qquad \frac{V_m}{E_m}=\frac{0.517}{2.7}=0.19148148\ \text{GPa}^{-1}.

    注意兩者有多懸殊:基材那一項大了一百倍以上,因為串聯配置由軟的那一相主導。

  4. 相加後取倒數。

    1E22=0.00171277+0.19148148=0.19319425 GPa−1,\frac{1}{E_{22}}=0.00171277+0.19148148=0.19319425\ \text{GPa}^{-1},
    E22=10.19319425=5.1761 GPa.E_{22}=\frac{1}{0.19319425}=5.1761\ \text{GPa}.

  5. 四捨五入到小數點後一位。

    E22≈5.2 GPa.E_{22}\approx 5.2\ \text{GPa}.

  6. 檢查量級是否合理。 答案必須落在兩個組成模數之間,而且要明顯靠近較小的那一個——一條鏈的勁度取決於最軟的那一環。若算出接近 282282 的值,就代表誤用了並聯(縱向)公式;這裡 5.25.2 大約只是 Em=2.7E_m=2.7 的兩倍,正是「約有一半是基材」的串聯模型該給出的結果。

Answer

E22=(0.483282+0.5172.7)−1≈5.2 GPaE_{22}=\left(\frac{0.483}{282}+\frac{0.517}{2.7}\right)^{-1}\approx 5.2\ \text{GPa}

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