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基体真实应力理论

已有 2247 次阅读 2022-10-23 15:27 |系统分类:论文交流

根据北京大学著名学者王建祥教授的考证,截止2021/12/24,百年来全力学领域引用排名第一的是Eshelby的论文(Proc. Royal Soc. A, 241: 376-396, 1957)。

Eshelby提出了求复合材料均值应力及均值应变的一种方法。连续介质力学将材料中一点的应力,定义为包含该点无穷小单元体应力的平均值:

 图-1d.JPG

其中,图-1f.JPG为点应力。复合材料的单元体,不能取无穷小,因其中须同时包含纤维和基体,故只有平均或均值(近似)应力:

   图-1e.JPG

V'=V'f+V'm是复合材料单元体,通常称为代表性单元(RVE)V'fV'm分别是代表性单元中纤维和基体的体积。

       需要指出的是,复合材料界长期存在一个针对RVE的认知误区,认为“顾名思义”,RVE须代表复合材料的整体结构包括纤维与纤维之间相互作用,因此,RVE中须含多根纤维。然而,力学是一门精准科学,只有“无穷小单元体”才是对材料中一点的精确描述,而不管单元体的形状。RVE的目的是表征复合材料中的一点,与各向同性材料中的无穷小单元体等价,它不能也不可能代表复合材料的整体结构,因为在不同点处,复合材料的细观结构与应力皆可能不同。根据定义,RVE的体积须越小越好。显而易见,含单根纤维的RVE满足这种要求,1(a)1(b)分别是连续纤维和短纤维的RVE

对任意的复合材料,总可以将其分解成一系列最小切片组成,每个切片中,最多只含单根纤维或纤维束(相同方向排列的多根纤维)段及合适的基体,这些切片皆可视为局部坐标系下的代表性单元。每个切片的纤维体积含量可互不相同,甚至有些切片不含任何纤维。还需要注意的是,虽然复合材料不存在点应力(精确应力),但其组分材料纤维和基体的点应力和均值应力皆可解得。

当复合材料的均值应力{si}已知后,应用Eshelby方法,可确定纤维和基体的均值内应力图-1g.JPG。但是,除了Eshelby方法,均值应力也可通过弹性力学精确或数值解如多尺度模拟,求得纤维和基体应力场后,再依上均值化得到[1-6]。此外,桥联模型[7]Chamis模型[8]等并非依赖Eshelby张量的细观力学方法,亦可用于求均值内应力。换言之,Eshelby方法非唯一。

 图-1a.JPG

Eshelby发现,当夹杂体为椭球(连续纤维为无限长椭球)时,无论施加何种外载,椭球中的应力场均匀。椭球的破坏,可将其应力与椭球材料的强度直接比对后确定,因为测试强度的试样中应力场均匀,椭球也处在均匀应力场中,两者之间具有可比性。这也解释了为啥现有文献中,预报纤维控制的复合材料破坏一般都与实验吻合合理的缘故。

但是,椭球外基体的应力场非均匀,不可将该应力直接与基体的强度比对来确定基体破坏,后者是在均匀应力场中测得的,两者之间没有可比性。必须先将基体的非均匀应力场转换到均匀应力场。基体的真实应力,等价于转换后的均匀应力场。本博文作者发现[9,10],基体的真实应力,等于其均值应力(均值并非等同均匀)乘以基体的应力集中系数:开孔板受力在孔边产生应力集中,孔被异质纤维填充后,同样产生应力集中。

然而,基体应力集中系数不可按经典方法定义,否则,一旦纤维和基体界面开裂,开裂端基体应力场奇异,基体应力集中系数无穷大;即便界面未开裂,由经典方法所得系数修正基体均值应力后,预报的复合材料破坏依然与实际差异大。作者建立起基体应力集中系数的全新定义,并导出了几乎所有系数的解析公式[11]。应用于“破坏分析奥运会”9组材料体系,各应力集中系数如1

图-1b.JPG 

   至少对树脂基复合材料,绝大多数复合材料破坏都源自基体,这由2可见一斑。因此,基体真实应力理论比Eshelby理论更重要。毕竟,缺少Eshelby方法,人们还可采用其他方法求复合材料的均值应力、均值应变以及复合材料等效弹性常数,但缺少真实应力理论,复合材料的非线性、损伤、破坏与强度,就不可能得到有效解决,因为这些问题,几乎都因基体所致。

图-1c.JPG

      有两种分析复合材料非线性、损伤与破坏的途径。一是基于复合材料实验数据的唯象理论,但任凭再多实验数据,实际工程中对复合材料破坏仍然还说不清楚。原因是:纤维和基体界面开裂、开裂后界面滑移、层合板分层…等现象十分常见,但都与外载大小、方向、组合形式有关,对复合材料承载能力的影响也各异。首先,没有任何实验,可准确测出界面开裂、开裂滑移、分层萌生…等对应的外载;其次,任何外载都可导致界面开裂,但只有横向拉伸承载能力才会受其显著影响[12-14],也只有剪应力,才会使开裂后纤维与基体界面之间产生显著的滑移几何大变形[15]。这些复合材料的损伤与破坏,实验测不准,基于唯象理论就无法准确预报。同理,通过深度或机械学习、神经网络也不可能有效解决。

另一条是细观力学途径。有限元、无网格法、多尺度模拟、近场动力学…等等,的确可足够准确求得任意载荷下基体的非均匀应力场。然后呢?基于非均匀的基体应力预报复合材料破坏,必须输入复合材料的强度数据,再反演纤维、基体、虚拟界面相等现场性能参数。基体的现场强度,可粗略理解成其原始强度除以基体的应力集中系数,如1所示,每种材料体系有多达10个不同基体应力集中系数,通过反演一一准确定它们几乎不可能。

 参考文献

1.         Wang YC, Huang Z.-M. A new approach to a bridging tensor [J]. Poly. Compos., 2015, 36: 1417-1431.

2.         Wang YC, Huang Z.-M. Bridging tensor with an imperfect interface [J]. Eur. J. Mech.- A/Solids, 2016, 56: 73-91.

3.         Aboudi J. Mechanics of Composite Materials: A Unified Micromechanical Approach [M]. Amsterdam, the Netherlands: Elsevier, 2013.

4.         Ghorbani Moghaddam M., Achuthan A., Bednarcyk B.A., Arnold S.M., Pineda E.J. A multi- scale computational model using Generalized Method of Cells (GMC) homogenization for multi-phase single crystal metals [J]. Comput. Mater. Sci., 2015, 96: 44–55.

5.         Cavalcante M.A.A., Pindera M.-J. Generalized Finite-Volume Theory for Elastic Stress Analysis in Solid Mechanics—Part I: Framework [J]. J. Appl. Mech., 2012, 79: 051006.

6.         Demirdžić I. A fourth-order finite volume method for structural analysis [J]. Appl. Math. Model., 2016, 40: 3104–3114.

7.         Huang Z.-M. Simulation of the Mechanical Properties of Fibrous Composites by the Bridging Micromechanics Model [J]. Comp. Part A, 2001, 32(2): 143-172.

8.        Chamis C. C. Mechanics of Composite Materials: Past, Present and Future [J]. J. Comp. Tech. Res., 1989, 11(1): 3-14.

9.         Huang Z.-M., Liu L. Predicting strength of fibrous laminates under triaxial loads only upon independently measured constituent properties [J]. Int. J. Mech. Sci., 2014, 79: 105–129.

10.     Huang Z.-M., Xin LM. In situ strengths of matrix in a composite[J]. Acta Mechanica Sinica, 2017, 33(1): 120–131.

11.    黄争鸣. 基体的真实应力理论 [J]. 固体力学学报, 2022, 43(3): 243-256.

12.    Hobbiebrunken T., Hojo M., Adachi T., Jong C.D., Fiedler B. Evaluation of interfacial strength in CF/epoxies using FEM and in-situ experiments [J]. Comp. Part A, 2006, 37(12): 2248-2256.

13.    Mortell D.J., Tanner D.A., McCarthy C.T. In-situ SEM study of transverse cracking and delamination in laminated composite materials [J]. Comp. Sci. Tech., 2014, 105: 118-126.

14.    Koyanagi J., Ogihara S., Nakatani H., Okabe T., Yoneyama S. Mechanical properties of fiber/ matrix interface in polymer matrix composites [J]. Adv. Comp. Mater., 2014, 23(5-6): 551-570.

15.    Zhou Y., Huang Z.-M. Shear deformation of a composite until failure with a debonded interface [J]. Composite Structures, 2020, 254: 112797.

 




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