有限变形颗粒增强复合材料本构建模及应用

The research on mechanics of composites in finite deformation is still at its infant stage due to the difficulty from the coupling of the geometry nonlinearity and material nonlinearity. The proposed project will investigate the mechanics behavior of particle-reinforced composites in finite deformation via a unique combination of numerical, analytical and experimental work. It aims to solve a fundamental problem in mechanics of particle-reinforced composites in finite deformation: how to predict or estimate the "overall" mechanical properties of the particle-reinforced composite with given mechanical properties of the constitutions and the microstructure. In this project, representative volume element models will be developed to simulate numerically the mechanical responses of the particle-reinforced composites in finite deformation. The computational results will be utilized in the macromechanics approach as well as the micromechanics approach to obtain the constitutive models of the composites. The constitutive models will then be verified experimentally. At last, they will be employed to clarify a well-known debate: whether the carbon black inclusions change the properties of the rubber matrix at the molecule level and affect the overall behavior of the composite. The research will not only pave the way for further research on mechanics of composites in finite deformation, but also promote the design optimization and applications of the advanced composite materials in industry.

由于几何非线性和材料非线性耦合所造成的困难，有限变形复合材料力学的研究尚处在起步阶段。本项目将数值模拟、理论建模及实验研究等三种研究手段有机结合，研究颗粒增强复合材料在有限变形情况下的力学性质，其主要研究目标旨在解决有限变形颗粒增强复合材料力学中的一个最基本的问题，即如何在已知基体材料和增强颗粒力学性质以及复合材料微观结构的情况下预测、估计有限变形颗粒增强复合材料的"整体"力学性质。创建代表体积单元模型通过数值计算模拟颗粒增强复合材料力学性质。利用计算结果，结合宏观力学方法及微观力学方法，相互补充，相互完善，得到复合材料的本构模型。通过实验验证所得本构模型，并应用该模型解决一个著名的争议问题：通过实验判断加入炭黑后是否会在分子尺度上改变橡胶等基体材料性质并对复合材料性质造成大的影响。本项目的研究成果将为有限变形复合材料力学的发展奠定坚实的理论基础，促进复合材料在工程上的设计优化及应用。

由于几何非线性和材料非线性耦合所造成的困难，有限变形复合材料力学的研究尚处在起步阶段。本项目将数值模拟、理论建模及实验研究等三种研究手段有机结合，研究了颗粒增强复合材料在有限变形情况下的力学性质，解决了有限变形颗粒增强复合材料力学中的一个最基本的问题，即如何在已知基体材料和增强颗粒力学性质以及复合材料微观结构的情况下预测有限变形颗粒增强复合材料的宏观力学性质。本项目通过建立能够代表真实材料性质的代表性体积单元，利用数值方法模拟得到颗粒增强复合材料在不同边界条件、不同外部载荷作用下的力学响应。根据计算结果，结合宏观力学方法及微观力学方法，建立了颗粒随机分布增强复合材料在有限变形下的本构模型。同时，本项目通过将颗粒链等效为“虚拟纤维”，并利用纤维增强复合材料的本构模型，建立了颗粒链状分布增强复合材料在有限变形下的本构模型。本项目还通过乘法分解将一般变形解耦为等体积变形和体积变形，建立了孔隙材料在有限变形下的本构模型。同时，本项目通过实验验证了所得的本构模型，并应用该模型证实：加入微米级铁颗粒后聚氨酯基体材料性质发生了改变，并对复合材料性质造成大的影响。本项目的研究成果为有限变形复合材料力学的发展奠定了坚实的理论基础，促进了复合材料在工程上的设计优化及应用。