含流体夹杂弹性介质有效性能-北京工业大学学报.PDFVIP

第 37卷 第 8期 北 京 工 业 大 学 学 报 V01．37 NO．8 2011年 8月 JOURNALOFBEIJING UNIVERSITY OF FFCHNOLOGY Aug．201l 含流体夹杂弹性介质有效性能 马连华 ，杨庆生 (北京工业大学 机械工程与应用 电子技术学院，北京 100124) 摘 要 ：为 了研究流体 内压对 闭孔材料有效性能的影响，采用细观力学方法 ，建立 了含有 内压流体 的细观力学 模型，用 以分析孔压与材料宏观变形的耦合效应．流体和内压通过等效特征应变来表征，将 Eshelby—Mori—Tanaka 等效夹杂原理推广到合流体夹杂的材料有效性能问题中，得到了含流体夹杂弹性介质有效刚度的解析式．比较 解析解与有限元数值结果可知-者吻合较好．研究表明，材料的有效体积模量与流体夹杂性能、体分比及 内 有关，且流体 内压能显著提高材料的有效体积模量，而有效剪切模量与流体性能及 内压无关． 关键词 ：弹性介质 ；流体夹杂 ；细观力学 ；有效性能 中图分类号 ：TB332 文献标志码 ：A 文章编号 ：0254—0037(2011)08—1136—07 自然界中的许多材料，如生物组织、生物细胞、饱和岩土、胶体材料、发泡塑料、烧结陶瓷等通常是流体 与固体材料的复合体．在这类含流体夹杂的弹性介质 中，流体域内常伴随有 内压 ，并与基体之问存在复杂 的相互作用．由于流体夹杂的形状 、体分比和内压的大小等都会对材料的有效力学性能产生影响，因而含 流体夹杂弹性介质具有不同于固体夹杂复合材料的力学行为． 在复合材料细观力学中，对复合材料的有效性能研究多集 中在单纯固体夹杂问题，关于流体夹杂及孔 洞内压对材料宏观有效性能影响规律的研究 已经受到越来越多的关注．1951年 ，Gassmann 前先提出r 含完全松弛流体的多孔介质复合材料模型 ；Beskos 应用双孔隙模型对饱和岩石进行了研究，将岩石内的 孔 隙与岩块 间的裂 隙分别用不 同的孑L隙率去描述 ，从而把饱和岩体 当作一种三相混合物来处理 ； O’Connell等 系统地分析了局部流体流动对多孔材料的影响；Endres等 将此模 型扩展到更为普遍 的 情况 ，提出带有任意方位 、任意纵横 比夹杂 的基体模型；Thomsen 更进一步将各 向异性 多孔弹性理沦应 用于包含2组孑L隙的复合材料有效性能的研究；xu等 利用夹杂模型计算了干岩石本构系数 ，并利刚微 分法计算饱和介质的体积弹性系数；Yang等 基于水泥水化过程的实验测量数据 ，建立了一个含气泡水 泥浆的细观结构和有效性能演化的细观力学模型，计算了材料在各瞬时的有效性能；Xia等 采用彳f限几 方法分析了单孑L与双孔含流体 的三维多孔介质的力学问题． 陈建康等 叫结合 Mori—Tanaka方法和 Eshelby等效夹杂原理，研究了微粒填充高聚物材料巾成核孔洞 的应变 ，并根据微孑L洞的成核率研究了材料的孔隙度增长问题 ；Chen等川 从细观力学的角度研究 了泡沫 塑料孔洞内压对材料泊松比的影响；Zhang等 根据实验和细观力学的理论研究了水泥砂浆孔隙LfI的硫 铝酸钙结晶压对材料抗折强度 的影响；Dormieux等 采用细观力学方法对含饱和流体的多孔材料的力学 性质进行了大量的研究，不仅研究了材料 的弹性性质 ，并进一步研究了非线性性质，利用 Hill准则和 Kreher 提出的方法分析了多孔材料 固体相的应力应变场 ，由于其假设孔}同是连通 的，即流体可以在固体 骨架 中自由流动，因此采用有效应力的概念分析固体相的应力应变场 ，没有体现流体 内压对宏观模簧的影 响，没有建立流体内压与复合材料有效模最的定量关系；Zhang等 ¨采用二阶矩方法考虑闭孑L气体 内压的 影响，建立 了多孑L材料非线性本构关系，证明了内压对多孔材料的力学特性具有重要影响． 从现有文献来看 ，含流体及 内压的多孑L介质材料可分为开孔型与闭孔型2种类型．开孔型材料指多 孔材料中的孔洞是互相连通的，流体充满整个复合材料 ，流体压力处处相等 ；闭孔性材料指复合材料 中孔 收稿Et期 ：2009-09—27． 基金项 目：国家 自然科