应力-吸湿-蠕变耦合对深海复合材料抗压强度的影响机制

The degradation of compressive strength under extreme hydrostatic pressure is a key problem faced by deep-sea composite structures. However, the existing theories of compressive strength of composite materials do not consider the influence of extreme hydrostatic pressure, moisture absorption, creep and other deep-sea environmental factors, and cannot be directly applied to the design and verification of deep-sea composite structures, resulting in slow progress in the application of composite materials in the deep-sea field. In this project, T700/TDE-85 resin matrix composite material is taken as the research object, and a " virtual scale" algorithm is put forward. Combined with existing composite material compressive strength and moisture absorption theory, free volume theory and classical viscoelasticity theory, a study is carried out on the degradation of compressive strength of deep-sea composite material. The purpose is to explore the mechanism of stress-moisture-creep coupling on compressive strength. Key research: (1) Theory and method of coupling and decoupling of stress, moisture, creep and other factors with free volume fraction as medium; (2) Multi-scale compressive strength model of composite materials suitable for deep sea environment; (3) Non-contact on-line test method for creep of composite materials in seawater environment. The research results are expected to clarify the coupling mechanism of stress, moisture absorption and creep of deep-sea composite materials, reveal the degradation law of compressive strength of deep-sea composite materials, and lay a theoretical foundation for the whole life cycle design of deep-sea composite materials.

极端静水压力作用下的抗压强度退化是深海复合材料结构面临的关键问题，而现有的复合材料抗压强度理论没有考虑极端静水压力、吸湿、蠕变等深海环境因素的影响，不能直接用于深海复合材料结构的设计与校核，导致复合材料在深海领域的应用进展缓慢。本项目以T700/TDE-85树脂基复合材料为研究对象，提出“虚拟尺度”算法，结合现有的复合材料抗压强度和吸湿理论、自由体积理论、经典粘弹性理论，针对深海复合材料的抗压强度退化问题展开研究，目的是探究应力-吸湿-蠕变耦合对抗压强度的影响机制。重点研究：（1）以自由体积分数为媒介的应力、吸湿、蠕变等因素耦合和解耦的理论及方法；（2）适用于深海环境的复合材料多尺度抗压强度模型；（3）海水环境中复合材料蠕变的非接触在线测试方法。研究成果预期将阐明深海复合材料的应力-吸湿-蠕变耦合机理，揭示深海复合材料抗压强度的退化规律，为深海复合材料结构的全生命周期设计奠定理论基础。

针对现有复合材料抗压强度理论没有考虑极端静水压力、吸湿、蠕变等深海环境因素的影响，不能直接用于深海复合材料结构设计与校核的现实问题，本项目以纤维增强复合材料为研究对象，建立深海复合材料应力-吸湿-耦合模型，阐明应力、吸湿、蠕变等深海环境因素的耦合机理；发展适用于深海环境的复合材料抗压强度理论，为深海结构全生命周期设计奠定理论基础。具体工作及研究意义如下：.1）提出了一种用于多尺度计算的虚拟尺度概念，并在典型复合材料热残余应力的多尺度计算中验证了该方法的有效性。计算过程表明，引入“虚拟尺度”这一新概念后，采用同心立方体计算复合材料热残余应力的未知参数从24个减少为4个，计算效率大大提高。.2）基于纤维均匀分布的假设，本项目建立了复合材料的简化湿热耦合模型。并通过测试验证了模型的有效性。与之前的复合材料吸水率模型相比，分析表明，简化模型不仅可以保持较高的预测精度，而且表达式更简单。它可以直接用于深海和水下结构的设计和验证。在此基础上，增加了一个子程序来模拟复合材料层压板吸水率的变化过程。通过这种方式，获得了不同时间段复合材料的吸水率、扩散系数和层间应力在厚度方向上的变化。.3）提出了一种轻质高强的纤维增强复合材料和浮力材料相结合的新型结构。结构中的纤维增强复合材料和固体浮力材料可以相互配合，获得良好的压缩强度和低密度。这种组合结构甚至比纽约大学研究人员开发的浮力金属具有更大的比强度和更好的设计性。因此，组合结构有望在无人机、飞机和水下/深海机器人等各种重量关键结构中有良好的应用。