界面对多相介质平均弹性性能和应力场的影响

在建立多相介质夹杂问题的自治模型基础上，应用自治有限元法研究了多相介质的平均弹性性能问题，通过数例讨论了在不同体分比下，界面对多相介质总体平均弹性性能的影响，结果表明，界面厚度对多相介质横向平均剪切模量和横向平均体积模量有明显的影响，而对纵向平均拉伸模量影响不大。为了进一步研究界面破坏特征，本文还分析了多相介质界面区域的应力场。     

考虑损伤界面的多相复合材料总体平均力学性能的预测

在广义自洽有限元迭代法￣［１］的基础上研究了损伤界面对多相复合材料的总体平均横向力学性能的影响。给出了对于不同体分比和损伤界面性质的典型复合材料的数值结果。数值分析表明损伤界面的厚度及其损伤程度对复合材料总体平均横向平面应变体积模量和剪切模量有显著影响。本文还计算了损伤界面区域的局部应力场。     

考虑损伤界面的多相复合材料总体平均力学性能的预测

在广义自治有限元迭代法的基础上研究了损伤面对多相复合材料的总体平均横向力学性能的影响。给出了对于不同体分比和损伤界面性质的典型复合材料的数值结果。数值分析表明损伤界面的厚度及其损伤程度对复合材料总体平均横向平面应变体积模量和剪切模量有显著影响。本文还计算了损伤界面区域的局部应力场。     

界面对金属基复合材料轴向弹塑性拉伸性能的影响及局部应力场的分析

本文建立在广义自洽有限元迭代平均化方法的基础上，计算了存在弹性界面相的ＳｉＣ晶须增强铝基复合材料的轴向弹塑性拉伸性能。研究了界面厚度以及界面在不同纤维长径比和体分比情况下对复合材料轴向拉伸性能的影响。本文同时分析了界面材料性质的分布形式对复合材料的拉伸性能及局部应力场的影响     

界面对金属复合材料轴向弹塑性拉伸性能的影响及局部应力场的分析

本文建立在广义自洽有限元迭代平均化方法的基础上，计算了存在性界在界面相的ＳｉＣ晶须增强铝基合材料的轴向弹塑性拉伸性能。研究了界面厚度以及界面在不同纤维长径比和体分比情况下对复合材料轴向拉伸性能的影响。本文同时分析了界面材料性质的分布形式对复合材料的拉伸性能及局部应力场的影响。     

反平面剪切作用下双材料滑动界面的细观力学模型

非理想粘结界面对多相材料力学性能具有重要影响。对于双材料间含众多随机分布微裂纹的界面，宏观上可以等效为连续损伤的弱界面，其两侧的面力连续而位移有间断。只有切线方向的位移间断，而法线方向位移连续的弱界面称之为滑动界面。在反平面剪切的作用下，我们证明了对于含有随机分布微裂纹的弹性双材料界面在宏观上等效为线弹簧型滑动界面，并获得了滑动界面柔度的一般表达式。利用Mori—Tanaka方法和广义自洽方法，我们研究了滑动界面柔度系数和微裂纹密度的关系。对这两种方法所得的结果进行比较发现，Mori—Tanaka方法得到的界面柔度比广义自洽方法得到的界面柔度大。当裂纹密度比较小时，这两种方法求得的界面柔度很接近。两种方法的结果都表明，界面柔度随裂纹密度的增加而增加。Mori—Tanaka方法比广义自治方法求解更为简便。     

纳米夹杂复合材料的有效反平面剪切模量研究

基于Gurtin-Murdoch表面/界面理论模型,利用复变函数方法,获得了考虑夹杂界面应力时夹杂/基体/等效介质模型的全场精确解,发展了能够预测纳米夹杂复合材料有效反平面剪切模量的广义自洽方法,给出了复合材料有效反平面剪切模量的封闭形式解。数值结果显示：当夹杂尺寸在纳米量级时,复合材料的有效反平面剪切模量具有尺度相关性,随着夹杂尺寸的增大,本文结果趋近于经典弹性理论的预测值;夹杂尺寸对于有效反平面剪切模量(本文结果)的影响范围要小于其对有效体积模量与剪切模量(各向同性材料)的影响范围;有效反平面剪切模量受夹杂的界面性能和夹杂刚度影响显著。     

水泥砂浆界面相弹性常数的反演计算

为了计算水泥砂浆界面过渡区的弹性常数,采用广义自洽方法(GSCM),根据水泥砂浆内部的微细观结构,建立了由水泥浆基体、岩石离散夹杂(骨料)、界面过渡区(ITZ)和有效弹性材料组成的四相复合材料模型.推导了界面相的体积模量和剪切模量方程.利用已知水泥砂浆材料的实验数据,计算了界面相的弹性常数.发现界面相剪切模量约为水泥浆基体剪切模量的50%.     

考虑界面应力时纳米涂层纤维增强复合材料的有效力学性能

基于Gurtin-Murdoch表/界面理论和广义自洽方法,获得了考虑界面应力时纳米涂层纤维增强复合材料有效反平面剪切模量的闭合形式解。讨论了涂层的壁厚、力学性能和界面性能对复合材料有效性能的影响。结果显示：在纳米尺度范围内,复合材料的有效反平面剪切模量受纳米涂层的尺寸影响显著。纤维体积分数一定时,涂层壁厚越大,纤维半径越小,有效反平面剪切模量与经典结果偏差越大。纤维刚度和涂层界面性能对复合材料有效模量的影响也取决于涂层刚度,非常软或非常硬的涂层都大大限制了纤维刚度对复合材料有效模量的贡献,过高的涂层刚度屏蔽了纳米复合材料表/界面效应的影响。     

考虑晶界滑错的金属多晶体响应的自洽方法

本文首先建立含有三种介质（各向异性基体、各向异性夹杂，界面层）的平面应变夹杂模型，将基体和夹杂位移场展开为多项式级数，假设界面层很薄，运用变分原理得出这一问题的近似解。将上述夹杂问题的解和ＨＩＬＬ自洽方法相结合，给出了考虑晶界滑错效应的金属多晶体弹塑性响应。     

滑动界面的球形夹杂问题

滑动界面对多相介质力学性能的影响日益受到重视．但已有的解析结果往往假定界面是自由滑动的．即假设界面上的剪应力为零，这与大多数实际情况并不相符．本文假定界面上剪应力不为零并满足线弹簧型界面条件，在这一前提下，首次获得了球形夹杂本征应变问题的解析解．     

单侧界面条件下弹性波传播规律的研究

界面是介质间的分界面,把界面看成是双侧的,只是真实界面模型表述的一个极端,在很多情况下,它的另一个极端,即单侧界面模型可能更近于实际．在单侧界面条件下弹性波的传播问题,与双侧界面问题相比,还是一个尚未充分研究的领域．本文意在对这一领域的研究现状及问题作一评述和展望      

波由单相弹性介质向横观各向同性液体饱和多孔介质传播时的反射与透射

研究了弹性波从单相各向同性弹性介质向双相各向异性液体饱和介质的传播问题。基于Biot的孔隙介质理论，并考虑动态渗透率，对以任意角度，任意频率入射的弹性波，解析地导出了在界面上的透射角，透射波波速和衰减系数，给出了各波在界面上的能量分配，数值计算了反射，透射系数与入射角，孔隙度等的关系曲线。     

中空纳米微球填充复合材料的有效力学性能

中空纳米微球可作为复合材料填充体使用. 与相同粒径下的实心纳米颗粒相比,中空纳米微球密度更低,存在表/界面应力效应的面积更大,由此导致的不同力学行为值得人们关注和研究. 目的是研究表/界面应力对中空纳米微球填充复合材料力学行为的影响. 首先,基于广义自洽原理,利用考虑表/界面应力影响的四相球模型导出了中空纳米微球填充复合材料在单向载荷作用下的弹性场,获得了纳米复合材料有效弹性模量的闭合形式解. 然后,分析了纳米复合材料存在的尺度相关性. 算例结果表明,有效弹性常数和环向应力与经典解答不同, 取决于表/界面性能、纳米中空微球粒径和壁厚. 该结论对于中空纳米微球复合材料具有指导意义.      

SH波散射与界面圆孔附近的动应力集中

建立了求解含有界面圆孔的二种不同弹性组合介质中ＳＨ波的散射和界面圆孔附近的动应力集中问题的Ｇｒｅｅｎ函数法给出了一个具有半圆形缺口的弹性半空间水平表面上任意一点承受时间谐和的出平面线源荷载作用时位移函数的基本解取基本解作为Ｇｒｅｅｎ函数，建立起问题的定解积分方程最后给出了界面圆孔的动应力集中的算例和结果，并讨论了不同介质参数的组合对动应力集中的影响     

多相材料有效性能预测的高精度方法

有效介质方法是常用的细观力学方法之一.其可用于计算多相材料的有效性能,并建立材料微细观结构和宏观性能的定量关系;有助于指导新材料设计,减少试验工作量等.然而,当夹杂含量升高时,传统有效介质方法的计算精度下降.本文以两相材料为研究对象,提出一种新的参考介质,即:为更合理考虑不同夹杂颗粒间的相互作用,假定参考介质的应变是基体相平均应变和某一修正张量的双点积.在此基础上,推导了新参考介质下两相材料的有效模量表达式,并给出该修正张量的近似计算方法;通过反复更新参考介质,采用多层次均匀化思路,将本文方法进一步用于多相材料性能的预测.为验证方法的有效性,将预测结果与已有模型结果和试验数据进行对比.结果表明本文方法较已有方法更为合理、有效.当夹杂含量升高时,本文方法较传统有效介质方法的计算精度有所提升.     

功能梯度界面相对周期分布纤维增强复合材料反平面剪切的影响

基于复变函数理论和边界配点法,探索了功能梯度界面相在周期均匀分布纤维增强复合材料反平面剪切问题中所起的作用。由于纤维在复合材料基体中的周期分布是均匀的,将其简化成含一功能梯度界面相夹杂的方形单胞。采用分层均匀化方法,将功能梯度界面相离散成K层界面层。当K足够大时,每个界面层可视为匀质材料,同时计算得到的复合材料宏观性能趋于定值。根据单胞内的基体、界面相和夹杂的几何外形特点,分别给出复势函数的级数形式,这些复势函数在各组分的相邻界面应满足连续性条件,在单胞的外边界应满足周期性边界条件和远场加载条件,从而确定复势函数中的待定系数,进而根据平均场理论确定复合材料有效模量。主要探讨了夹杂体积分数、各组分模量、功能梯度界面相的模量渐变形式等因素对纤维增强复合材料性能的影响。结果表明：不管基体模量相对于夹杂模量是大还是小,都有对应的界面相模量渐变形式可使夹杂周围的等效应力集中系数减小;另外还发现仅当夹杂模量较大时,功能梯度界面相模量的变化方式对复合材料有效模量产生不可忽视的影响。     

无限介质中单个纳米涂层夹杂反平面问题的两个模型

采用零厚度界面模型和界面层模型研究了无限介质中单个纳米涂层圆柱形夹杂的反平面问题，利用复变函数方法获得了两种模型夹杂、涂层和基体内应力场的封闭解析解．研究表明，当界面层模型中的界面相厚度趋于零时，界面层模型可以解析地退化为零厚度界面模型．数值算例分析了界面模量不同取值时应力场的分布和应力的尺度依赖性．本文结果丰富了对纳米夹杂力学行为的认识，并可为直接采用零厚度界面模型有困难的纳米夹杂问题的研究提供有价值的参考．     

纤维复合材料界面横向拉伸分析

以单纤维十字型横向拉伸试验为研究对象,对纤维/基体界面采用弹性-软化双线性内聚力模型,建立了纤维复合材料在横向拉伸作用下界面法向失效过程的解析模型。得到了沿纤维/基体圆周界面的法向应力分布,纤维/基体界面的状态与界面承载力和单纤维复合材料承载力的关系,以及内聚力参数和试件几何尺寸对它们的影响。结果表明:纤维/基体圆周界面在脱粘前经历全部弹性及弹性+软化两种状态;当界面为弹性状态时,界面法向应力随界面强度线性增加;当界面为弹性+软化状态时,界面软化范围随界面裂纹萌生位移的增加而增大;界面初始脱粘位置与拉伸荷载方向重合;界面初始脱粘时的界面承载力随界面强度及界面裂纹萌生位移的增加而增加,随界面裂纹生成位移的增加而降低;单纤维复合材料的脱粘荷载受基体截面尺寸的影响,当纤维体积含量相同时,沿荷载方向截面尺寸的增大对提高脱粘荷载更显著。     

基于细观力学方法的混凝土热膨胀系数预测

建立混凝土材料的有效性质与微结构参数之间的关系,是混凝土材料优化设计的基础。本文用细观力学方法对复合材料宏观有效热膨胀系数进行研究,得到了含有一球形夹杂物的无限大介质在均匀变温作用下的应力场。假定混凝土为由骨料和砂浆基质组成的二相复合材料,根据混凝土宏观体积热膨胀量与组成混凝土的各相介质细观体积热膨胀量相等的原则,采用基于Mori-Tanaka方法的混凝土宏观有效剪切模量,推导出混凝土有效热膨胀系数的解答。对稀疏解法、自洽方法和有限单元数值试验结果的比较说明,本文提出的基于自洽方法的混凝土宏观有效热膨胀系数的理论公式能够较好的描述混凝土的热学特性,该方法可以推广到多相复合材料宏观有效热膨胀系数的预测中。