含梯度界面FRC的弹性/粘弹性本构特性的细观研究

摘要

纤维增强复合材料(Fiber reinforced composites，简称FRC)具有比强度高、比刚度高、可设计性强、成型工艺简单、耐腐蚀性强和极端环境适应性强的优点。自20世纪初开始研发至今，FRC在军用工程和民用工程领域的应用日益广泛，且各工程领域对高性能先进FRC的研究和开发变得愈加迫切。FRC是一种多相复合材料，具有强烈的微观结构特征，其本构关系不仅取决于组份材料的含量和性质，且与其微观结构特征密切相关。大量实验研究表明，FRC中不仅含有纤维相和基体相，还存在材料性质沿厚度方向呈梯度变化的界面相(简称梯度界面相)，且对FRC宏观性能影响很大。因此，研究含梯度界面FRC主要微观结构特征对其宏观性能的影响机理、探求预测含梯度界面FRC宏观性能的有效理论和分析方法具有挑战性，且具有非常重要的理论和工程意义。
　　本论文研究工作分为两部分：(1)在线弹性范围内，建立含梯度界面 FRC的微观模型，研究其有效刚度、有效CTE/CME的预测方法，并考查各微观结构特征对FRC宏观湿热弹性性质的影响。(2)考虑界面损伤的影响，研究具有粘弹性性质的含梯度界面FRC，如纤维增强树脂基复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)的宏观热粘弹性性质的预测问题及微观结构参数的影响规律问题。其中，主要涉及的 FRC宏观热粘弹性性质包括蠕变柔量或松弛模量、储能模量和损耗因子。
　　在第一部分工作中，首先，基于 Eshelby原理和 Mori-Tanaka细观理论(以下简称M-T理论)，利用层合法思想，提出了扩展的M-T模型和方法，并据此研究了含梯度界面 FRC有效刚度的预测问题，考查了组份材料含量、纤维长细比、界面厚度、界面材料性质等对复合材料有效刚度的影响(详见第3章)；其次，采用扩展的M-T法，并根据线弹性理论和迭加原理，提出了预测含梯度界面FRC有效湿热膨胀系数(Coefficient of thermal/moisture expansion,简称CTE/CME)的细观方法，揭示了FRC的CTE/CME随复合材料组份含量、纤维长细比、纤维分布方向、界面厚度和界面梯度的变化规律(详见第4章)；最后，基于细观力学原理，提出了以组份质量为参数的纤维聚集模型，并采用双尺度法，研究了FRC中纤维含量、孔隙率和纤维聚集度之间的关系及其对FRC有效刚度的影响(详见第7章)。
　　第二部分工作中，首先，采用线弹簧模型描述界面微损伤，建立了含梯度界面且考虑界面微损伤FRC的微观模型，并基于细观力学原理、弹性-粘弹性对应原理和时温等效原理，研究了粘弹性 FRC的蠕变和松弛特性及其与材料微观结构特性和环境温度之间的关系。其中，以往文献中损伤张量解析解的表达错误得到了修正，并提出了满足精度要求且适用于任意纤维长细比的损伤张量的数值计算方法(详见第5章)。其次，基于热粘弹性力学原理，研究了含梯度界面且具有界面微损伤FRC的三维(3D)动态粘弹性力学性能，包括动态储能模量和损耗因子，研究了它们的温度相关性和频率相关性，并考查了纤维长细比、界面梯度参数和界面损伤对FRC3D动态粘弹性性能的影响。(详见第6章)。
　　本论文在以上领域给出了大量首次发表的研究成果，有助于揭示含梯度界面 FRC微观结构特征对其宏观弹性/粘弹性本构性质的影响机理，这不仅丰富和发展了复合材料力学、界面力学、热弹性力学和粘弹性力学等基础理论，还对先进复合材料的研究和工程实际应用具有积极的意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1选题背景和研究意义

1.2国内外相关领域的研究现状和进展

1.3本论文的主要研究内容

1.4本论文的主要创新性工作

第2章 复合材料细观力学相关基础理论介绍

2.1引言

2.2复合材料的代表性体积单元和有效材料性质

2.3复合材料的单夹杂问题与等效夹杂理论

2.4复合材料的均匀化方法

2.5整体与局部坐标系的转换

2.6符号的统一用法

2.7本章小结

第3章 含梯度界面单向FRC的有效刚度研究

3.1引言

3.2含梯度界面FRC的微观模型

3.3有效弹性性质预测

3.4结果与讨论

3.5本章小结

第4章 含梯度界面多相FRC的有效湿热弹性特性研究

4.1引言

4.2含梯度界面多相FRC微观模型

4.3单向FRC的有效热湿弹性性质预测

4.4整体均匀化

4.5结果与讨论

4.6本章小结

第5章 含梯度界面且具有界面损伤FRP的准静态粘弹性能研究

5.1引言

5.2 Walpole张量算法介绍

5.3组份材料的本构关系

5.4微损伤界面模型

5.5含界面微损伤的FRP的松弛模量预测

5.6 FRP蠕变柔量的温度相关性

5.7结果与讨论

5.8本章小结

第6章 含梯度界面且具有界面微损伤FRP的动态粘弹性性能研究

6.1引言

6.2组份材料的本构关系

6.3含微损伤界面的三相单夹杂模型

6.4单向FRP的动态粘弹性特性预测

6.5结果与讨论

6.6本章小结

第7章 多孔FRC中纤维含量、孔隙和纤维聚集的关系及其有效弹性性能研究

7.1引言

7.2 FRC的孔隙率与体积相关性

7.3改进的2参数纤维聚集模型

7.4 FRC的材料特性预测

7.5结果与讨论

7.6本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读博士学位期间所参加的科研项目

附录C 第五章中以x3为旋转轴的旋转椭球夹杂的Eshelby张量S表达式

附录D 第五章中损伤张量X和Z的非零参数表达式

附录E 第七章中横观各向同性基体中椭球夹杂的Eshelby张量S的表达式[196]