【摘 要】
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复合材料凭借轻质量、高强度、高韧性、耐腐蚀、高导电率和高导热性等众多优异性能,被广泛应用于建筑工程、生活用品、医疗器械、航空航天、军工用品等各个领域。复合材料中基体与夹杂之间的界面区域是复合材料中性能最薄弱的环节,也是制约复合材料宏观特性的重要因素。界面区域对到周围环境的非常敏感,尤其是处于在恶劣环境时,非常容易发生损伤、腐蚀、脱开、产生微裂纹等行为,这将会严重影响整体复合材料或结构的正常使用。为
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复合材料凭借轻质量、高强度、高韧性、耐腐蚀、高导电率和高导热性等众多优异性能,被广泛应用于建筑工程、生活用品、医疗器械、航空航天、军工用品等各个领域。复合材料中基体与夹杂之间的界面区域是复合材料中性能最薄弱的环节,也是制约复合材料宏观特性的重要因素。界面区域对到周围环境的非常敏感,尤其是处于在恶劣环境时,非常容易发生损伤、腐蚀、脱开、产生微裂纹等行为,这将会严重影响整体复合材料或结构的正常使用。为探索复合材料损伤和腐蚀界面效应和界面特性与复合材料宏观力学性能的关系,本文围绕损伤和腐蚀界面的理论建模和基于扩展有限元方法的数值模拟两种方法开展了一系列研究。具体的研究内容包括三个部分:(1)复合材料损伤腐蚀界面理论建模,基于几何替代思想,引入损伤变量,通过严格的数学推导,建立界面损伤腐蚀理论模型,阐述了界面处位移与力之间的关系。这部分工作的创新点主要体现在以下三个方面:a)模型的建立是通过严格的数学推导,界面参数具有清晰的物理意义;b)本文所建立的损伤界面模型具有普遍性,根据损伤演化公式的不同,可以退化到已有文献中的非线性界面模型;c)通过引入时变损伤公式,将损伤界面模型推广到描述腐蚀环境下的界面特性。(2)复合材料损伤腐蚀界面效应理论研究,基于细观力学均匀化理论和能量连续性条件给出复合材料宏观力学特性的解析形式,描述了界面损伤腐蚀对复合材料宏观力学性能的影响规律。a)将基于能量等价的非完美界面替代方法推广到腐蚀界面问题,这样可以直接应用文献中合适的等效模量数学公式;b)通过严格的数学推导,给出了受腐蚀混凝土宏观特性界面效应解析数学形式;c)给出了界面腐蚀下混凝土简化力学模中的物理场解析表达形式,这个可以作为数值方法合理性分析标准解。(3)复合材料损伤腐蚀界面的数值模拟,借助扩展有限元方法在处理非连续行问题时的优势,编写适用于非线性界面的程序,探究界面损伤腐蚀过程对复合材料整体位移场和应力场的影响。本文的在以上三方面的研究进一步完善丰富了复合材料损伤和腐蚀界面的理论建模和数值模拟。研究发现,夹杂颗粒的尺寸会严重影响复合材料宏观等效体积模量和应力强度,随着界面损伤和腐蚀程度的加剧,复合材料宏观等效体积模量和应力强度均出现明显下降。研究成果再一次证明界面特性和损伤腐蚀效应对于复合材料宏观力学性能有着至关重要的影响。
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