文档介绍：中图分类号:TB323 论文编号:1028701 12-S010
学科分类号:080102

硕士学位论文

树脂基纤维增强复合材料
湿、热行为的细观力学模型

研究生姓名李力
学科、专业固体力学
研究方向工程问题的力学建模与计算机仿真
指导教师周储伟教授

南京航空航天大学
研究生院航空宇航学院
二О一一年十二月
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
The Graduate School
College of Aerospace Engineering

Micro-mechanical Model of Hydrothermal
Behavior for Resin Matrix
Fiber-posites

A Thesis in

Solid mechanics

by
LI LI
Advised by
Prof. Zhou Chuwei

Submitted in Partial Fulfillment

of the Requirements

for the Degree of

Master of Engineering

December, 2011
承诺书

本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进
行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致
谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成
果,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位
或证书而使用过的材料。
本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部
分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描
等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)

作者签名:
日期:
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
纤维增强树脂基复合材料在温度和湿度改变的环境下会因胀缩而产生失配变形和失配应
力,影响结构的变形和材料的损伤。反过来,材料中的损伤也会影响到材料在湿、热环境中的
变形量。本文从细观力学的角度,研究了树脂基纤维增强复合材料在湿、热环境下的行为,研
究分为三个部分:
1) 建立了单向复合材料热膨胀的细观力学理论和有限元模型,模型考虑了随机分布的基体微
裂纹和纤维/基体界面开裂对复合材料热胀系数的影响。用上述模型研究了玻纤/树脂体系
单向复合材料升降温过程中的热膨胀系数随纤维体积含量、损伤密度的变化规律。研究发
现:复合材料膨胀和收缩时不同取向的微裂纹的张开、闭合的状态不同,会造成热胀系数
在升、降温过程中的不一致性。
2) 针对三种(玻纤/环氧单向、正交和非对称铺层层合板)复合材料试件,分别设计了吸湿试
验和自由振动试验,测得其吸湿动力曲线,并通过吸湿前后的各阶固有频率的变化得到了
吸湿对于复合材料弹性模量的影响。
3) 数值模拟了湿气在复合材料单胞模型中的扩散过程,得到了不同纤维体积含量的单胞模型
中水分浓度场的变化过程,在此基础上建立了复合材料吸湿率和时间的关系模型,模型结
果和实验吻合较好。另外,在热膨胀理论的基础上建立了湿膨胀的理论模型,能够更为准
确地预测纵向以及横向湿膨胀系数。

关键字:复合材料,热膨胀,吸湿,有限元,微裂纹

本文的研究工作得到了国家自然科学基金项目(10772078,10472045)的资助。
本文工作在机械结构力学及控制国家重点实验室完成。
I
树脂基纤维增强复合材料湿、热行为的细观力学模型
Abstract
Resin matrix fiber-posites will suffer mismatch deformations and residual stresses
when experience expansion and contraction under the environment of changing temperature and
moisture, thus affecting the deformation of structures and the damages in materials. Conversely, the
damages will also affect the deformation of materials under the hydrothermal