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复合材料细观力学与细观设计理论研究
杜善义吴林志庞宝君梁军
(哈尔滨工业大学复合材料研究所啥尔滨 150001)
摘要复台材料具有丰富的细观结构组合方式,对其进行细观力学的研究是当前复
合材料力学研究的主要发展方向。复合材料细观力学的研究内容包括古夹杂复合材料力学、
编织复合材料的细观力学建模.灵敏复合材料力学和复合材料在拉伸.压缩。剪切、冲击,疲
劳加载下的损伤演化和破坏等等。本文将针对其中的几个主要问题介绍我们的研究工作.
关键调细观力学材料设计编织复台材料智能复合材料
1含夹杂复合材料的细观力学研究
在含夹杂复合材料研究中,细观力学起到一种桥梁的作用。它将复合材料的纲观结
构,如夹杂的形状、尺寸、分布和宏观特性有效地联系起来。一般来说,复合材料的基
本力学性能可分为两方面,即局部性能和宏观有效性能。
1.1 含单夹杂和双夹杂非均匀介质的弹性场
Eshelby“3在研究含单椭球夹杂无限弹性介质的弹性场时,给出了一个具有普遍性的
方法。自那以后,夹杂问题被广泛地进行研究o‘33。许多方法被用于处理这类问题,但是
所得到的结果多是以数值形式给出的。
动应力场。Seo和MuraC钉研究了半空间内的椭球夹杂问题,并且得到了解析的弹性场。然
而,对于实际复合材料的增强相,如纤维、晶须等,用椭球夹杂来代替它们有时不能绘
出令人满意的结果。为此,必须研究较切合宴际的圆柱夹杂问题。
1.1.1垒空间内的单圆柱夹杂
考虑无限均匀介质内含一圆柱夹杂n,其高度为2^,半径为n,并且与基体有相同的
弹性摸量。根据Mura”,由圆柱夹杂内的本征应变场所引起的位移场可表示为:
胛
“.(z)=一…Ch。矗(x。)G小』“一算‘)d一 (1)
惴
式中.cJ。是材料的弹性模量;而G。tb一一)是相应于无限均匀各向同性介质的Green函
数。当圆柱夹杂内的本征应变e:。(z‘)为常数时,由分部积分法,方程(1)可化为二重积分
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“。(卫)=C,3肿£:。}||G。(#一x‘)dzjd磊l
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其中,n,是圆柱夹杂的底面面积;n,是圆柱侧表面单位法向矢量的分量。实际上,求解
8
方程(2)右边积分的关键在于确定下面的两个积分
dxLdx2 nldedz3
n 12’p r 1、
”’
jJ1了二订’j。j。F二可
n,
经过复杂的推导和计算,wu和Du…给出了圆柱夹杂内本征应变场为任意常数时弹
性场的解析解。这一工作比Hasegawa的解更具一般性。具体结论如下:
(1)弹性场可以表示成第一类、第二类和第三类完全椭圆积分的函数。当圆柱夹杂
的高度2^趋于无穷时,夹杂内部的应力场为常数。这与Eshelby…的结论相一致。
(2)在圆柱侧表面与上下表面的交线处,应力场存在对数奇异性。
(3)沿z。(圆柱对称轴)轴变化,应力分量a。是连续的。当圆柱夹杂趋于细长时,
应力%在圆柱上底面附近有一个较大的变化梯度。
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