竹原纤维复合材料变形破坏的跨尺度模拟和细观机制研究

基于对环境关注度的日益提升，开展多重损伤耦合作用下竹原纤维增强复合材料损伤机理和破坏行为模拟的多尺度研究，旨在探寻绿色材料渐进破坏过程的力学，建立破坏强度的预测模型和方法，揭示细观破坏机制与宏观力学性能之间的内在联系，力图将纤维的统计强度、体积分数、基体及界面等细观特性与材料的宏观力学行为以及损伤模式、损伤起始和扩展等定量地联系起来。针对多重损伤耦合，详细考察纤维断裂，基体塑性和界面脱粘等多重破坏模式相互干涉和相互竞争的机理；针对强度统计分布，提出细观统计理论，考虑损伤的演化；针对界面的粘结性能，提出改善纤维与基体相容性的措施；针对力学特性，发展基于细观破坏机制的强度预测理论和模拟方法。本项目研究目的在于探索多重损伤耦合下天然纤维复合材料的本构模型、破坏模式及失效机理，提升对这类材料变形与破坏机制的认识水平，为结构的设计和应用提供理论依据和分析方法。

随着原材料可持续发展这个主题的延伸以及全球能源和环境问题日益突出，当前天然植物纤维复合材料的开发和应用倍受人们的关注。鉴于这类材料结构的多样性和破坏模式的复杂性，本项目针对竹原纤维复合材料的损伤演化以及破坏过程的理论和模拟方面开展了研究工作。. 首先，在复合材料拉伸行为的实验分析基础上，详细考察了各组分材料的破坏特点，建立了纤维断裂伴随基体开裂、界面脱粘的细观力学模型；其次，充分考虑多重损伤模式的耦合作用，发展了一套描述应力与变形重分配的应力分析方法。通过建立Monte-Carlo方法，对复合材料的拉伸破坏过程进行了模拟和再现；第三，发展了一套复合材料拉伸强度的预测理论和方法，将材料的最终强度与细观参数定量地联系起来，并与实验结果相比较验证模型的准确性；最后，从竹原纤维和基体材料的结构特点出发，通过实验研究对增强体进行改性处理，比较纤维进行碱处理前后复合材料的拉伸强度。. 本项目的重要成果主要表现为三个方面：一是对组分材料细观破坏的表征。尤其是通过大量拉伸实验，得到了竹原纤维断裂强度的统计分布。在对这类材料细观结构分析的基础上，发现纤维强度的分散性与其微观组织结构中的基本纤维（Elementary fibers）分布有很大关系。发展的指数Weibull模型可以用来准确刻画纤维的强度分布；其次，建立的力学模型揭示了多重损伤模式相互干涉和竞争机理，弄清了复合材料在复杂条件下的主要破坏机理，反映出材料的拉伸渐进破坏过程。这种细观到宏观的跨尺度方法使得模拟和预报材料内部的损伤起始、演化乃至结构的整体破坏成为可能；第三，通过表面改性的方法，研究了界面结合强弱对复合材料性能的影响，提出了改善纤维与基体间界面粘结性能的办法。. 通过本项目的研究，提升了对这类复合材料变形与破坏机理的认识水平，细观参数与宏观力学性能之间的定量关系也为结构设计合理性提供了理论依据。因而，既具有工程应用价值又具有科学意义。同时，对于我国开展天然植物纤维复合材料的研究开发以及材料工业的应用都具有重要现实意义。