【摘 要】
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随着纤维增强复合材料应用领域的不断扩展且用量激增,亟需理清复合材料微观结构损伤对宏观力学性能影响的内在机制。尤其在分析复合材料失效与微结构渐进损伤、断裂等涉及非连续问题的计算与模拟方面尤为重要。传统固体力学理论及方法在计算复合材料微结构的多裂纹萌生、扩展等问题时,因其位移的导数在不连续处没有定义致使该问题难以求解。另外,在复合材料微结构的几何建模方面,理论建模与工程实际存在极大的误差导致在求解时很
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随着纤维增强复合材料应用领域的不断扩展且用量激增,亟需理清复合材料微观结构损伤对宏观力学性能影响的内在机制。尤其在分析复合材料失效与微结构渐进损伤、断裂等涉及非连续问题的计算与模拟方面尤为重要。传统固体力学理论及方法在计算复合材料微结构的多裂纹萌生、扩展等问题时,因其位移的导数在不连续处没有定义致使该问题难以求解。另外,在复合材料微结构的几何建模方面,理论建模与工程实际存在极大的误差导致在求解时很难利用真实结构的信息。因此,发展针对纤维增强复合材料微结构几何建模与高效模拟其破坏过程的方法就显得十分重要。近场动力学是一种新兴的非局部力学理论,其采用域内的空间积分方程来描述物质点之间的相互作用。与传统微分方程建立的连续介质力学理论不同,基于近场动力学理论的方法能够更有效地模拟材料从弹性变形（连续问题）到裂纹萌生与扩展（非连续问题）的全过程。另外,利用显微CT（Micro-computed Tomography）技术可以在不破坏结构的前提下得到含有结构内部信息的图像,并快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间离散模型。因此,本文结合近场动力学方法与显微CT扫描技术做了以下工作:（1）提出了一种基于显微CT图像的近场动力学离散模型用以重构复合材料微结构。利用显微CT图像的像素点灰度值不同而对其进行阈值分割,能够快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间离散模型。该离散模型能够直接用于微结构破坏过程模拟,从而避免了传统的数值模拟技术需要依据像素点先建立光滑的几何模型、再划分成有限单元网格的复杂前处理过程,并且极大地保留了复合材料的原位组分分布信息。（2）本文采用有限元框架下的计算方法求解近场动力学方程,利用复合材料中不同的物质点性质,构造了近场动力学的复合材料模型,并实现了不同材料组分与不同断键伸长率的数值计算。并采用不连续伽辽金单元求解了基于显微CT图像重构的复合材料微结构裂纹萌生、扩展直至完全断裂的力学问题,模拟结果显示了此方法能够较好地利用微结构的内部信息进行力学计算。（3）基于近场有限元离散方法,建立了能够描述复合材料微结构的近场有限单元,并构造了适用于通用有限元平台的单元刚度矩阵。之后,编写了Abaqus UEL用户子程序用以实现近场有限元方法的隐式计算,并用于复合材料微结构损伤的计算,实现了基于显微CT重构复合材料微结构的商用软件二维、三维微结构的模拟计算,并根据模拟结果对复合材料微结构破坏机制进行了分析。
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