双相材料界面与任意裂纹干涉的弹性反平面问题

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1、硕士学位论文第1章绪论人类居住的地球已经运转了亿万年,人类自身的进化也大致经历几百万年的时间。翻开人类进化史,我们不难发现,材料的开发、使用和完善贯穿其始终。石器时代、铜器时代、铁器时代……,复合材料时代,都是按照材料的进步和发展来划分的。材料作为人类文明基石的作用是不容忽视的，犹如支撑万丈高楼的地基石一样，材料支撑着人类文明。而在新的世纪里，材料的基石作用仍然无法改变，[1]因此对新材料的开发与研究将是科技工作者义不容辞的责任。复合材料是21世纪迅速发展的材料之一，因为复合化是材料发展的必然规律，同时复合材料又以其设计的灵活和所达到的高性能，受到更广泛的关注。复合

2、材料是由两种或两种以上的单一材料复合而成，但其并不是几种材料的简单组合，复合材料它既能保留原组成材料的主要特色，并通过复合效应获得原组分不具备的性能，可以通过材料设计使个组分的性能互相补充并彼此关联，从而获得新的优越性能，它不同于化合物和合金材料，它们的区别在于复合材料中组分材料作为独立形态的单一材料而存在，而没有明显的化学反应。对于复合材料的历史可追溯到久远的古代，用泥土和稻草混合砌成的泥墙早在古埃及时代就开始应用。近代的胶合板和钢筋混凝土材料也有百年历史，但是以树脂基复合材料为先驱的现代复合材料是在20世纪30年代诞生，并在40年代前期的第二次世界大战中得以应用

3、。从此以后，军事上的应用和军备竞赛一直是复合材料发展的主要动力，并逐渐向民用方向发展。随着冷战的结束和世界形势走向缓和，复合材料在迅速地应用于各民用工业领域。如今，以各种先进纤维和各种高性能基体制造的复合材料已经广泛应用于工业领域和人们的日常生活中，在航空航天领域，以各种复合材料制造的结构部件已经占到整个结构的相当比例，全复合材料飞机也已经投入应用多年，并显示出良好的力学和物理性能。在交通运输和汽车工业，有复合材料铁路客车、汽车车体、各种船舶及其部件。近年来，一个异军突起的应用领域就是在土木工程和建筑结构方面，复合材料除了直接用于建造桥梁、房屋结构及其部件外，还在旧

4、有大型结构的加固和翻新中显示出巨大的应用前景和优势。复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。结构复合材料是作为承力结构使用的材料，基本上由能够承受载荷的增强相元与能联结增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体元组成。而功能复合材料具有某种特殊的物理和化学特性，可根据其功能分类，如导电、磁性、阻尼、摩擦等，功能复合材料一般由功能体组元和基体组元组成，基体不仅起到构成整体的作用，同时也1双相材料界面与任意裂纹干涉的弹性反平面问题对复合材料整体的物理性能有影响。复合材料是由单一材料经人工复合而成，它是一种多相材料和多层次材料。复合材料具有增强相、基体相和界面

5、层三个重要方面增强相可以是一种也可以是多种，因此复合材料是一种多相材料。而复合材料的弹性模量、强度等力学性能主要来自于增强相的贡献，再有增强相还能显著的影响复合材料的收缩率和热变形温度，并在热、电、磁、光、声方面赋予复合材料新的物理性能。因此研究复合材料的力学性能对于复合材料的应用有着很大[2][3][4]的工程与现实意义。复合材料力学主要采用两种研究途径，一种是宏观的方法，它以实验资料为基础，通过建立数学模型唯象地描述复合材料的力学行为；二是细观的方法，通过对复合材料的组成部分以及它们的复合原理进行分析，建立细观结构参数与材料性能之间的关系，揭示复合材料结构在一定

6、工况下的响应规律及其本质。为复合材料的优化设计、性能评价提供必要的理论依据及手段。细观力学从产生至今已有50多年的历史，已有一些较为成熟的理论，但总体上还未能成为一个完整的体系。早期的复合材料理论大多数用来预测复合材料的刚度、热物理等宏观性能，[5][6][7][8][9][10]如Eshelby的等效夹杂理论、Mori-Tanaka方法、微分法、自恰理论、广义自恰理论等。事实上，尽管这些性能也依赖于材料的细观结构，对其细节并不敏感，随着复合材料，尤其是纤维、颗粒增强复合材料的发展和应用，人们愈来愈迫切地要求建立更为合理完善的理论来预测复合材料的强度、断裂韧性等有关

7、性能。复合材料细观力学迅速发展的另一动力来源与80年代中期以来增韧复合材料的广泛应用密切相关。以往将材料强韧行为的描述建立在宏观力学框架之上，虽然强度和韧性的指标可以量化，但却无法表述他们的科学依据及与材料结构的关系。例如断裂力学是由于二次世界大战期间和其后大量舰船和飞机的脆断事故中诞生一样，固体细观力学是随着复合材料的发展和广泛应用中形成的。力学与材料学科近几年的交融与结合，推动固体力学研究从宏观尺度深入到细微观尺度，使的材料的细微观结构设计逐步从定性走向半定量和定量阶段，并推动力学家和材料学家携手解决材料的强韧化设计这一跨学科难题。另一方面，由于先进复合材料