非理想界面橋聯理論及橫向壓縮下基體的應力集中係數

《非理想界面橋聯理論及橫向壓縮下基體的應力集中係數》是依託同濟大學，由黃爭鳴擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非理想界面橋聯理論及橫向壓縮下基體的應力集中係數
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：黃爭鳴
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

欲根據原始組分性能預報複合材料的破壞和強度，首先要正確計算纖維和基體中的內應力，其次須由基體的原始性能正確定義其現場強度輸入數據，因為後者無法測量。橋聯理論是目前少有的能計算任意載荷下纖維和基體中內應力的理論，但現有橋聯理論建立在纖維和基體理想界面基礎之上。只有確定了基體因添加纖維產生的應力集中係數，才可正確得到其現場強度。本項目有兩個研究目的，一是建立非理想界面橋聯理論，二是確定橫向壓縮下基體的應力集中係數。基於構造Mori-Tanaka-Eshelby橋聯矩陣相同的CCA（同心圓柱）模型，在纖維和基體接觸面上引入非理想界麵條件，導出相應的無限大基體域橋聯矩陣，再以此為參照創建有限基體域非理想界面彈-塑性橋聯矩陣。通過對複合材料橫向壓縮破壞機理的實驗表征和理論解析，準確確定橫向壓縮破壞面方程及基體應力集中係數，為實現由獨立測試得到的纖維和基體性能預報複合材料強度這一夢寐以求目標夯實基礎。

結題摘要

複合材料受任意載荷作用的破壞和強度問題，只有通過細觀力學求出纖維和基體的內應力後才能解決。一個明顯例證：複合材料破壞往往源自界面開裂，但要確定任意載荷下界面何時開裂，必須知道纖維和基體中的內應力才行，後者只能通過細觀力學方法得到。然而，細觀力學求得纖維和基體中的內應力後，與各自極限參數比對所確定的複合材料強度，卻往往與實際相差巨大。根本原因在於，細觀力學得到的是均值內應力，而複合材料破壞分析必須基於真實應力。纖維中的應力場均勻，其真實應力與均值應力相同；基體的真實應力，等於均值應力乘以相應的基體應力集中係數。本項目研究的最重要成果，是得到了基體受橫向壓縮、橫向剪下、軸向剪下及界面開裂後的橫向拉伸應力集中係數，完善了基體真實應力理論，只額外提供一個複合材料橫向拉伸強度，就可確定任意載荷下界面何時開裂。 複合材料中的基體應力集中係數，完全不同於經典：1、經典應力集中係數因材料或結構中有缺陷而生，基體的應力集中係數則總存在，即便複合材料中不含任何缺陷，開孔等缺陷引起的複合材料應力集中是一種巨觀量，由孔附近纖維和基體共同承擔，基體的應力集中係數是一種細觀量，僅僅由基體承受；2、經典應力集中係數定義是“點應力除以外加應力”，基體應力集中係數定義是“線平均應力除以體平均應力”；3、通過有限元等求出材料或結構中每一點應力後，經典應力集中係數往往不起作用，而基體的應力集中係數則對複合材料性能計算起決定性作用。事實上，基體的應力集中係數，開啟了求解各種複合材料破壞和強度問題的大門。 細觀力學橋聯模型與其他理論相比，優勢明顯，但現有橋聯模型建立在纖維和基體界面理想基礎上。本項目還研究建立起針對纖維、界面、基體三相介質複合材料的橋聯模型。由於其它非理想界面如纖維和基體之間粘接很弱的弱界面，總可通過調整界面相的厚度和材料參數實現，本項目建立的三相介質橋聯模型具有普適性。