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含流体夹杂弹性介质有效性能-北京工业大学学报.PDF

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含流体夹杂弹性介质有效性能-北京工业大学学报

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

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