摘 要

复合材料因其优良特性在生产生活中得到了广泛应用，然而湿热环境会对复合材料的性能造成很大影响，湿热环境下复合材料力学性能研究成为了深受国内外学者重视的研究方向之一。本文采用Peridynamic(近场动力学)方法确定湿热环境下复合材料单向板拉伸的本构模型，基于该本构研究复合材料的拉伸性能。

首先，本文介绍了复合材料中的强度理论和湿热效应，接着又介绍了近场动力学基本理论，为后续的本构模型推导提供了理论基础。

其次，本文根据弹性力学中的基本假设，通过对比连续介质力学和PD理论下得到的应变能密度求解材料常数c，建立了湿热环境下复合材料单向板拉伸的本构模型。

最后，本文利用FORTRAN编写可执行程序，基于数值模拟研究了湿热环境对复合材料拉伸性能的影响。本文研究了不同温度，不同湿度下单向板的拉伸，讨论了湿热环境对复合材料单向板拉伸性能的影响规律。

本文方法能揭示湿热条件下复合材料单向板受拉时拉伸性能的变化趋势，相比于实验节约了大量的成本和时间，为湿热环境下复合材料的拉伸性能研究提供了帮助。

关键词：复合材料，湿热，近场动力学，拉伸

Abstract

Composite materials have been widely used because of their excellent characteristics in production and life .However, hot and humid environment will on composite performance caused a great impact, mechanical properties of the composites in hot and humid environment become one of the hot research direction. In this paper, the Peridynamic method is used to determine the tensile properties of the composite materials in the hot and humid environment, and the tensile properties of the composites are studied.

First of all, this paper introduces the strength theory and the damp heat effect in the composite material, and then introduces the basic theory of the near field dynamics, which provides a theoretical basis for the subsequent derivation of the constitutive model.

Secondly, this paper established tensile constitutive model in hot and humid environment in unidirectional composite according to the basic hypothesis of elastic mechanics and strain is obtained by comparison of continuum mechanics and PD theory to calculate material constants C.

Finally, we write executable program using FORTRAN .The influence of hot and humid environment on the tensile properties of composites was studied based on numerical simulation. In this paper, the effects of different temperature and humidity on the tensile properties of the unidirectional plate were discussed.

This method can be revealed under hygrothermal conditions composite unidirectional plate tensile tensile properties change trend, compared to the experimental saves a large amount of cost and time, in hot and humid environment of composite tensile properties of help.

Key Words: composite material, damp heat, Peridynamic, tensile

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 湿热环境下复合材料力学性能研究现状 1

1.2.2 PD理论研究现状 2

1.3 研究内容 3

第二章 复合材料力学及近场动力学基本理论 4

2.1 复合材料力学基本理论 4

2.1.1 单层板弹性特性 4

2.1.2 湿热效应 4

2.2 近场动力学基本理论 5

2.2.1 近场动力学原理 5

2.2.2 PMB模型 7

2.2.3 Kilic提出的模型 8

2.3 本章小结 9

第三章 湿热环境下复合材料单向板拉伸本构模型推导 10

3.1 经典连续介质力学应变能密度计算 11

3.2 PD理论下应变能密度计算 11

3.3 材料参数c的求解 14

3.4 本章小结 17

第四章 程序实现 18

4.1 运动方程的离散化 18

4.2 程序设计 18

4.3 结果对比与分析 19

4.3.1 程序验证 20

4.3.2 湿热条件下复合材料拉伸模拟 22

4.4 本章小结 25

第五章 总结与展望 26

5.1 全文总结 26

5.2 展望 26

参考文献 28

致 谢 30

第一章 绪论

1.1 研究背景

复合材料具有强度高、比模量高、可设计性好、制造工艺简单、成本较低、 高温性能好等特点，近年来被广泛地应用于工程领域。复合材料最引人入胜的性能是它们往往具备有较轻的质量，优异的耐候性、耐水性能和电磁性能，良好的透明性能、热性能和热声性能，优异的机械性能等^[1]。然而复合材料在湿热环境下的性能会有很大变化，复合材料在湿热环境下工作，不仅会产生老化问题， 而且复合材料内部也会由于湿度和热度产生水分应变和温度应变，这种影响就是通常所称的湿热效应。由于纤维与基体之间的粘接性能较差，吸湿率高，水分容易进入复合材料内部，使复合材料的部分性能下降；尤其是复合材料在高温下受载时，其力学性能降低更多^[2]。只有研究了复合材料在湿热环境下的性能变化，才能采取相应的措施使其适应更多复杂的工况。传统的实验方法缺陷多，如实验周期长，成本高，所以本文拟采用数值模拟方式进行研究。

有限元方法是基于经典连续介质力学理论的，经典连续介质力学的运动方程是包含空间位移导数的微分方程。然而当位移不连续时，唯一的偏导数没有定义，因而计算也无法进行下去，得到的结果就不准确。目前很多有限元软件支持自适应网格技术，然而网格增多会降低求解效率，并且其计算结果也会对网格质量非常敏感^[3]，这就制约了有限元方法的应用。