1、上海交通大學博士后士學位論文橡膠復合材料的雙向力學特性與鐵電陶瓷材料的斷姓名：張豐發申請學位級別：博士后士專業：固體力學指導教師：匡震邦20050201摘要摘要簾線橡膠復合材料是一種典型的非線性粘彈性柔性復合材料，對簾線橡膠復合材料在雙向受力條件下的力學性能研究，到目前為止國內外尚沒有相關研究報導：壓電材料是一種能在電能和機械能之間進行轉換的功能性材料，由于這些智能陶瓷在應用過程中可能要承受靜態、動態或循環和力載和電載荷的作用，出現了智能陶瓷材料的強度和斷裂等問題，因此研究智能壓電陶瓷材料的失效規律很有必要。本文對簾線橡膠復合材料的雙向力學特性進行了系統地研究。探討了簾線橡膠復合材料雙向拉伸時

2、的力學行為和規律及蠕變和應力松馳規律：基于橫觀各向同性材料的本構模型，首次提出適合描述其在雙向載荷條件下力學響應的本構模型。為建立簾線橡膠復合材料的本構關系和失效準則提供更加充分的依據?？紤]到簾線橡膠復合材料的大變形和粘彈性等特點，首次將自由能函數引入到橡膠復合材料領域，通過引入了簾線損傷參數的概念，建立了大變形粘彈性宏觀本構模型。在雙向力學性能試驗研究的基礎上，對簾線橡膠復合材料的雙向拉一拉失效機理和失效規律進行了研究?？紤]了簾線角度對失效數據的影響并針對不同失效模式，建立了相應的失效準則。其有效性也通過材料的雙向拉伸試驗結果得到了驗證。建立了壓電陶瓷材料的力一電耦合加載裝置，并通過三點彎曲

3、實驗對一在力電耦合載荷作用的破壞規律進行了研究。發現了模態能和電場的關系，驗證了匡提出的預測壓電材料破壞的模態能理論。由于時間限制，在力一電耦合載荷條件下壓電陶瓷材料的失效問題還需要進一步的研究和深化，這也是下一步工作的重點。關鍵詞三點彎曲實驗；力一電耦合加載；壓電陶瓷材料；簾線橡膠復合材料失效準則：本構模型上海交通大學博后出站工作報告，、，；：；第章緒論第章緒論研究背景簾線橡膠復合材料是由簾線增強材料和橡膠基體材料經過有效的復合而形成的一種典型的具有特定功能的柔性復合材料。作為一種先進的工程材料，簾線橡膠復合材料已經被廣泛地運用在航空器、汽車和電廠等各種結構系統中。這些系統的安全性和可靠性均

4、都依賴于人們對系統中各組成部件的設計，簾線橡膠復合材料的力學特性則成為結構設計中必須考慮的重要因素。對其研究也日趨深入。對簾線橡膠復合材料來說，其構件在實際運用過程中常承受復雜載荷的作用，如航空器的機翼結構和機體板就是遭受彎曲和扭轉復合應力作用：汽車中的輪胎和電廠中的壓力容器和管道也是在兩軸或三軸應力條件下工作的。為了保證這些工程結構的可靠運行，必須對其進行有效設計。為此全面評價復合材料在復雜應力條件下的力學本構和失效規律就非常重要和十分必要。壓電材料是一種能在電能和機械能之間進行轉換的功能性材料。自和發現電氣石的壓電效應以來，壓電材料經歷了壓電晶體、壓電陶瓷、壓電薄膜、壓電聚合物和壓電復合物

5、等發展階段，年鋯鈦酸鉛（即）的實用化運用，大大提高了壓電材料的應用速度，是壓電材料的應用出現了一個嶄新的局面，出現了實用的壓電陶瓷超聲換能器、音頻換能器、壓力傳感器、濾波器、諧振器以及聲表面波器件等。其在智能結構、微機械電子系統、微型機器人、微型泵、壓電超聲馬達、掃描隧道顯微鏡及原子力顯微鏡等方面也得到了十分廣泛地運用。常用的壓電陶瓷有。，刀和皿等。由于這些智能陶瓷在應用過程中可能要承受靜態、動態或循環和力載和電載荷的作用，因此出現了智能材料的強度、斷裂和疲勞等問題，而控制器和傳感器的安全性可靠睦要求都很高，這就需要我們對智能材料的失效有深入的理解和掌握，因此研究壓電材料的失效規律具有很重要的

6、意義。第章緒論研究現狀橡膠復合材料粘彈性能的研究復合材料是一種很復雜的材料體系，其復雜性不僅在于它的各向異性，還在于其微觀上的不均勻性，橡膠復合材料也是一樣。定載荷時，材料的伸長隨著時間的增加而增大，這就是蠕變，而定伸長時，作用在固體粘彈性材料上的載荷隨時間的增加而減小，這就是材料的應力松弛。在特定復合材料的硫化過程中，粘彈性對復合材料的殘余應力的重新分布起到了主要的作用。在加載時，載荷可以從具有粘彈性的基體材料轉移到能承載的纖維增強材料上，如沒有這個性能，則基體就很容易開裂。因】研究了單向環氧對稱角鋪設層板的應力松弛行研究了）（和聚乙烯管的蠕變試驗，發現蠕變柔，研究了試件體積與粘彈性特對橡膠

7、復合材料的粘彈性能研究也主要局限于單向蠕變和松弛性能研了大量的研究工作。馬浩提出了線粘一非線彈基本假設，應用此研究復合材料的粘彈性是非常重要的，在高負荷、長久承載和循環載荷作用下，就必須考慮復合材料的粘彈性。為。結果發現，時間和加載速率對聚合物基復合材料的力學性能有重要影響：量極大的依賴于所施加的應力：征函數之間的相互關系，體積增加對粘彈性特性的影響類似于提高溫度所產生的影向：和研究了層板的蠕變性能，他們建立了一種分析模型，用于優化層板的蠕變特性；仲偉虹等【副避開了復雜的本構關系推導及蠕變過程中應力、應變的疊代計算，研究了施加不同預應力及含不同膠粘劑的層板（時的蠕變特性：多方向纏繞的管狀試件將

8、表現出粘彈性行為。和對在雙向軸拉伸一內壓載荷作用下的±玻璃纖維習：氧管的粘彈性行為進行了研究，試驗結果表明，加載速度可能會影響復合材料的應力應變關系和失效模式。究，雙向蠕變和松弛性能的研究還未見報道。哈爾濱工業大學的馬浩【“、張秋華”、劉宇艷等人對橡膠復合材料在單向載荷條件下的粘彈特性做理論，研究了人造絲增強橡膠復合材料的本構特性；在橡膠復合材料靜態粘彈特性的基礎上，張秋華研究了人造絲增強橡膠復合材料的縱向沖擊拉伸特性，通過大量的不同沖擊速度、不同溫度下的高速拉伸沖擊試驗，對人造絲第章緒論纖維增強橡膠復合材料的粘彈特性進行了研究：劉宇艷針對橡膠復合材料的力學特點，自行建立了適于該材料

9、的疲勞測試系統，首次實現了疲勞試驗中材料載荷、變形、溫度、滯后損失等的實時監測，為橡膠復合材料疲勞特性的研究奠定了基礎。本文將在單向粘彈性研究的基礎上，對雙向條件下的蠕變和松弛性能進行初步地研究和探討，為橡膠復合材料雙向粘彈性能的理論研究提供豐富的試驗資料。橡膠復合材料本構模型的研究最早的簾線橡膠復合材料的材料模型是和仉圳提出來的均勻模型。隨著研究的進一步深入，和¨刮對進行了進一步的簡化，提出了一個適合于正交各向異性材料的均勻模型?？紤]簾線的扭曲特征，和”】提出單向單層簾線橡膠復合材料的材料模型?？紤]到簾線橡膠復合材料的拉伸、彎曲和扭轉耦合效應。和采用簾線和橡膠單元的微觀模型研究了簾

10、線復合材料的性能。，采用微極理論研究了扭曲簾線橡膠復合材料的端部效應，該理論認為簾線扭曲的影響可以通過其有效模量來實現【”，它的模量和單位長度的扭曲量存在一定的關系。橡膠復合材料細觀本構理論的具體形式【】。在現有的文獻中，簾線增強彈性體的單極熱力學行為常被疏忽【”。但由于硫化的簾線橡膠復合材料在降溫過程中，簾線產生的扭轉應力常常引起整個試件的扭曲，造成試件的尺寸不穩。因此（】提出的包括提出的簾線熱效應的簾線增強復合材料的單極本構方程，研究了熱載對簾線橡膠復合材料力學性能的影響，其提出的熱一力學本構方程。大變形、非線性和粘彈性是簾線橡膠復合材料的顯著特征。在一定的應力和時間范圍內，軟的生物組織，

11、如血管、腱、韌帶和彈性結構，如汽車輪胎和皮帶等都表現出明顯的粘彈性能。因此建立橡膠復合材料的本構模型時必須考慮它的粘彈性。和等描述了橫觀各向同性材料在非線性應力或變形區域材料的粘彈性本構方程?！咎岢隽诉m合于各向異性材料的三維有限變形粘彈性模型。和【對具有橡膠特征的材料粘彈性本構模型進行了較為系統的描述。法已經得到廣泛的運用。除了法以外，馴等也提出了其它的恒溫模型。、和第章緒論最近、和等描述了腱、韌帶等纖維增強結構的非線性粘彈性行為。”】也考慮了纖維增強復合材料粘性。在有限變形條件下，【采用本構模型描述了纖維增強復合材料的粘彈性行為。其假定各向異性自由能函數可以模擬纖維增強復合材料。這種方法考慮

12、了纖維和基體的相互作用及兩種纖維和基體材料等材料的粘彈性能，但只考慮材料的等溫粘彈性。在等溫和等容條件下，）采用著名的超彈性應變能方程和非線性粘性方程，提出了各向異性材料的大變形粘彈性本構模型。以上研究都是從宏觀或細觀的角度研究了簾線橡膠復合材料的本構理論，由于簾線結構的復雜性，采用細觀方法研究其本構方程顯得很困難，尤其是相關參數的確定更加不容易。本文將在考慮材料大變形和粘彈性的基礎上，忽略了簾線橡膠復合材料的結構，通過將自由能函數引入到橡膠復合材料的本構研究中，提出了建立簾線橡膠復合材料宏觀本構模型的新方法。橡膠復合材料的失效模式和準則橡膠復合材料是種特殊的復合材料，在研究其失效模式和準則的

13、時候很有必要了解一般復合材料的失效形式和判據?？萍脊ぷ髡咭呀泴σ话銖秃喜牧鲜Ｊ胶蜏蕜t進行了大量的研究。和研究了±。碳環氧復合材料管的宏觀和微觀失效機理；和”通過碳環氧管（±）試驗發現，如果層合結構的失效模式是纖維控制，則基體裂紋并不影響纖維的失效應變；和“】的研究表明：軸向應力和環形失效應力有很大關系，增加軸向應力可以提高層板的環形失效強度；和，對碳環氧管（。）進行了研究，提出了最大纖維應變失效準則、漸進失效模型和非線性的基體剪切模型，在多重應力條件下，檢驗了基體失效；和研究了編織碳環氧復合材料的強度和失效；和】等分析了軸向周向應力比、加載速率對玻璃纖維環氧復合材料管的

14、應力一應變曲線、損傷積累和失效模式的影響，建立了雙向應力和應變失效曲線：，和，等【】對碳纖維環氧復合材料管斷裂現象和失效機理進行了分析。根據雙向載荷比的不同，提出了三種失效模式及其相應的失效機理，通過顯微方法對斷面進行了觀測，研究了微觀失效與雙向載荷比的關系。試驗結果表明，當雙向載荷比較小時，影響材料性能的因素主要是基體的強度、結合部位的粘接強度和纖維與基體的均勻分布，當雙向載荷比較大時，纖維強度是主要第章緒論因素。研究表明，雙向拉伸載荷比對一般復合材料的失效模式、失效強度、斷裂應變和應力一應變關系有很大的影響。預測一般復合材料單向層板破壞的失效理論是非常豐富的，學者們提出了很多失效準則【。”

15、。其中強度理論最多，它主要包括簡單的應力準則如早期的提出的最大應力理論、以適用于金屬材料的屈服準則、適用于各向異性材料的準則、以張量形式表達的準則和對不同的失效模式進行區分的和準則。其中以張量形式表達的強度失效準則預測結果更準確，且表達方式不隨坐標系的變化而改變，因而使用更方便，更加容易被人們所接受。但它卻沒有考慮復合材料失效模式。以不變量或能量的方法來建立復合材料的強度失效準則也是很有效的方法，這方面的研究不是很多，還需要不斷的完善和發展。簾線橡膠復合材料的失效機理是很復雜的。在復合材料加工過程中產生的瑕疵、過載和熱力學性能下降使橡膠材料常常發生失效。一些學者采用鋼絲尼龍增強的模型系統，研究

16、了簾線橡膠復合材料在單軸拉伸條件下失效模式。和在單軸拉伸載荷條件下，研究了雙層簾線橡膠層合板疲勞斷裂，第一次觀察到了纖維一基體界面的脫粘失效。等【在研究尼龍增強復合材料在單向循環載荷條件下力學性能時，發現簾線一基體界面脫粘存在臨界載荷，當循環拉伸應力超過這臨界載荷時，簾線一基體的界面脫粘失效模式發展成為基體的開裂和分層，最后導致整個復合材料的失效；、和等也觀察和分析了材料的這些斷裂失效機理。由于單向層板是層合板的基本構造單元，為了建立復合材料層合板的失效準則和失效機理，對單層板的研究顯得格外的重要，人們已經對復合材料單向層板的失效準則提出了很多不同的模型（，。對纖維增強塑料的雙向強度理論進行了

17、全面細致的描述。，和，等對預測纖維增強聚合物復合材料板的現有失效理論進行了全面的比較。對簾線橡膠復合材料來說，有關失效的研究雖然很多，但都集中在材料的疲勞分析，在分析中也沒有給出失效判據。由于在復雜載荷條件下，對簾線橡膠復合材料力學性能研究的很不充分，制約了對材料進行深入的失效研究，有關簾線橡膠復合材料失效研究發展也非常緩慢，為了準確的分析簾線橡膠復合材料的失效，通過研究簾線橡膠復合材料的基本結構一單層板的斷裂失效行為，提出能預測簾線橡膠材料失效的判據是十分必要的。因此對簾線橡膠復合材料的失效研究還需要進一步深入。筇章緒論壓電材料斷裂特性的理論和實驗研究壓電材料是一種能在電能和機械能之間進行轉

18、換的功能性材料。隨著年鋯鈦酸鉛（即）的實用化運用，使壓電材料的應用出現了一個嶄新的局面。常用的壓電陶瓷有，丁和等。智能結構的穩定性近來越來越受關注，而鐵電材料的裂紋生長就是一個穩定性和可靠性相關的話題。壓電材料的斷裂力學研究包含裂紋壓電體在機電載荷作用下的損傷機理和破壞規律，建立裂紋的斷裂準則和尋求材料的增韌的途徑，為壓電元件的可靠性分析和優化設計提供理論依據。和】首先運用本征函數展開法分析了橫觀各向同性壓電體中的三微半無限長裂紋問題，發現了裂紋尖端的應力場和電位移場具有的奇異性：”使用函數法研究了無限大各向異性壓電介質中的扁平橢圓裂紋問題，也發現了紋尖端的應力場和電位移場具有的奇異性，而且只

19、有垂直于裂紋面的電場強度才對應力強度因子有影響。裂紋壓電體的裂紋尖端場和斷裂參數的計算是壓電材料斷裂力學的基本研究內容，首次基于壓電材料斷裂的路徑無關積分建立了電焓能量釋放率或裂紋擴展力的計算公式，他的研究結果表明，對于給定的機械載荷（應力或應變），裂紋是否擴展將取決于電載荷的大小和類型（電位移和電場強度），僅有電場作用時，裂紋擴展力為負值，可以通過調節力與電載荷的相對值控制裂紋的擴展。等叫應用變換和奇異積分方程技術求解了條形域中的壓電反平面裂紋問題，計算的結果表明，應力強度因子和能量釋放率隨條寬和裂紋長比值的減小而增大?！繎梅椒ê臀诲e密度法研究了一般各向異性壓電介質的二維裂紋問題，橫觀各向

20、同性壓電材料的計算表明，電載荷總是降低能量釋放率即抑制裂紋的擴展，按最大拉應力破壞準則，某些力電載荷下裂紋可能出現偏析或分叉。和根據材料的斷裂體現為一機械的物理背景，提出了以機械應變能釋放率作為裂紋失穩判據的斷裂準則，分析了電載對應變能釋放率的影響，分析的結果表明，應變能釋放率為電載荷的線性函數，增加或降低取決于電載荷的方向。年，”】從線性壓電本構關系出發進行了斷裂力學分析；】針對線性壓電材料應用了能量函數得到本構關系，并利用能量平衡得到了微裂紋擴展能量；】將線彈性斷裂力學的定義推廣到壓電材料中，研究了第章緒論電場對壓電材料斷裂強度的影響，證實了在無限大電場作用下可能止裂的現實；等，求解了條形

21、壓電材料的反平面裂紋問題，發現應力強度因子和能量釋放率隨條寬和裂紋長度之比的減少而增大。等【剮基于經典的的塑性屈服模型，考慮到由于壓電材料的電力耦合結果而產生的電致屈服，分析并得到了沿不同初始極化方向上加載情況的積分；和進一步考慮了鐵電材料的這種電致斷裂強度的非線性；】則將的能量平衡方程推廣應用到鐵電、介電陶瓷的破壞失效問題上，運用模型對晶粒結合完好情況下的破壞失效問題進行了分析，給出了破壞阻力；最近，和”“”埽艮據實驗觀察的結果，考慮到疇極化轉動與裂紋的相互作用，采用權函數的方法給出了由于疇變對外載產生的屏蔽效應，并分析了表觀斷裂韌性與電疇取向以及外加電場和力場的關系，進而分析了鐵電材料的電

22、致疲勞。和【”提出了能量密度因子的概念，理論預測結果表明：正電場有助于裂紋的擴展，負電場卻阻止裂紋的擴展。對鐵電陶瓷材料的強度和斷裂的首次實驗研究可以追溯到和”，。和引。和采用雙扭轉方法研究了電場對材料中次臨界裂紋生長的影響，他們發現在未極化的試件中，電場增加了垂直于電場的裂紋的積累。而在極化試件中卻沒有發現電場是否促進還是阻止裂紋的擴展?！緦Π▊鲗Ш徒^緣裂紋效應的斷裂和介電破壞過程進行了論述。最近等，“】對電場對裂紋生長的影響進行了系統的實驗研究。和采用預制的裂紋研究了電場引起的疲勞裂紋生長；等【】對循環載荷下的斷裂行為進行了討論。在以前的工作中，在力電耦合載荷的作用下，鐵電材料的斷裂強度

23、常作為電場的函數。為了研究電場對斷裂行為的影響，人們對裂紋方向垂直于極化方向的多種陶瓷材料進行了實驗研究?！啊扛鶕偰芰酷尫怕蕼蕜t研究了電場對裂紋的影響，結果表明電場總是阻止裂紋的生長；采用最大周向應力準則，和¨的研究表明在正電場條件下的裂紋增長比在負電場條件下的裂紋增長要小。和對丁一試件進行了刻痕實驗，正電場降低了材料的表面斷裂韌性，負電場則使材料的表面斷裂韌性增加。和”“】采用頸向拉伸法和三點彎曲法對壓電陶瓷材料的類型裂紋和混合型裂紋進行了斷裂實驗研究，測量了在不同電場作用下的材料破壞載荷，發現隨著正電場的增加，材料的破壞強度下降，而第章緒論隨負電場的增加，破壞載荷卻增加，所得的

24、結果和和¨”的研究結果是一致的。而和采用維氏壓痕方法，研究了在力場和電場作用下，軟的壓電陶瓷材料。的力學特性。研究發現，正電場抑制裂紋的擴展，而負電場促進裂紋的擴展。等【揭?！薄坷镁S氏壓痕法對鐵電材料的研究表明，鐵電材料的斷裂韌性具有各向異性，材料斷裂韌性沿極化方向比垂直于極化方向的要高。等¨”】的研究表明，鐵電材料的破壞經歷了放電、微裂紋的產生與宏觀破壞等三個過程。實驗表明，鐵電材料的斷裂行為呈各向異性并隨外加場變化的主要原因是由于鐵電疇在外場作用下發生極化轉動（包括新疇的成核和疇壁的運動擴展）引起的。由于在外場的作用下，發生疇極化轉動將引起疇附近的局部區域應力分布不均

25、勻，而導致在某些方向上呈拉應力、而在另一些方向上呈壓應哦力，因而將促使裂紋擴展或閉合，產生的微裂紋可能會沿一定的方向擴展。和三點彎曲實驗發現的三點彎曲強度隨電場絕對值的增加面下降，他們認為這是由于壓電和疇轉換變形產生的晶粒間的內在應力所引起的；等【通過試驗證實了電疲勞是由于外電場引起內部的微裂紋的萌生、擴展，最后導致鐵電材料的電疲勞，從而是材料失效破壞。和”采用三點彎曲實驗對試件的研究卻發現無論是正電場還是負電場，鐵電材料的破壞強度都下降，而且正電場作用時下降明顯。和負電場相比，正電場使更多的試件部分在低處斷裂，即：電場的存在總能阻礙裂紋的擴展。為了解釋電場對鐵電陶瓷斷裂強度的影響，人們提出了

26、很多理論模型。和”】采用裂紋尖端的帶飽和模型研究了電非線性對斷裂行為的影響，結果表明壓電材料的斷裂強度線性依賴于所加的電場；等【基于經典的的塑性屈服模型，考慮到由于壓電材料的電力耦合結果而產生的電致屈服，分析并得到了沿不同初始極化方向上加載情況的積分；和【”進步考慮了鐵電材料的這種電致斷裂強度的非線性；”則將的能量平衡方程推廣應用到鐵電、介電陶瓷的破壞失效問題上，運用模型對晶粒結合完好情況下的破壞失效問題進行了分析，給出了破壞阻力；和【叭研究了在力電耦合載荷的作用下鐵電材料中的轉換硬化現象，它們通過裂紋尖端的疇轉換引起的裂紋尖端應力因子的變化來估算材料強度的變化。結果發現隨著電場的變化，斷裂強

27、度會呈現對稱性變化；和?！扛鶕犧D換模型在力電耦臺載荷的作用下精確地評估了各向異性鐵電體的強度變化；和】根據實第章緒論驗觀察的結果，考慮到疇極化轉動與裂紋的相互作用，采用權函數的方法給出了由于疇變對外載產生的屏蔽效應，并分析了表觀斷裂韌性與電疇取向以及外加電場和力場的關系，進而分析了鐵電材料的電致疲勞；采用能量釋放率和疇轉換模型可以對和】的壓痕斷裂結果進行解釋。上面的每一個模型都可以對特定的鐵電材料在實驗中觀察到的斷裂行為給出理論上的解釋。從以上的工作可以看出，對于每一種材料，電場對斷裂強度的影響都是不同的，如果不考慮電場的方向，對不同的陶瓷材料，電場可能會增加或降低材料的斷裂強度，這表明在電

28、場作用下，材料的斷裂強度的變化可能是由材料的性能所控制的。壓電材料的失效研究最近智能壓電陶瓷等多功能材料越來越受到人們的關注，這些智能材料制成的結構元件已廣泛用于傳感和控制等領域，由于這些智能陶瓷在應用過程中可能要承受靜態、動態或循環和力載和電載荷的作用，而這些智能材料除了具備基本的功能特征以外，還要求材料具有較高的力學性能，因此出現了智能陶瓷材料的強度和斷裂等問題，由于這些壓電陶瓷很脆，強度較低，而控制器和傳感器的安全性可靠性要求都很高，因此研究智能壓電陶瓷材料的失效規律很有必要。有關壓電材料的斷裂問題。科研工作者已經提出了很多壓電材料的斷裂準則。多年前，等【”通過引入電能量釋放率和場強度因

29、子，將能量釋放率和應力強度因子等斷裂力學概念推廣應用到壓電陶瓷領域；和”通過試件和彎曲板對陶瓷的斷裂準則進行了研究，討論了應力強度因子、總能量釋放率和應變能釋放率作為斷裂準則的差異，他們認為，斷裂是個力學過程，提出僅僅采用能量中的機械應變能量釋放率作為失效判據，實驗結果表明機械應變能釋放率（）可以做為壓電失效準則的失效參數，而應力強度因子和總能量釋放率在預測非傳導裂紋的失效是不合適的；等【”以電屈服裂紋的能量釋放率為基礎提出了新的失效準則，然而在這模型中卻沒有考慮疇轉換的影響。等考慮疇轉換損耗采用能量平衡法提出了新的失效準則，但他們僅僅提出了這種方法，結果和等”的結果是一樣的。和提出了能量密度

30、因子的概念。它認為當的時候，裂紋開始擴展：”提出了采用局部應變能密度函數來作為預測壓電材料失效的新斷裂理論，這個理論不需要計算能量釋放率，可以處理各種類型的裂紋問題；和第章緒論等¨”每這個理論進行了推廣，對在平面電和力載荷條件下的有限壓電固體中的橢圓形空穴或線性裂紋進行了分析，裂紋的起始斷裂方向和極限載荷都可以通過總能量密度因子來預測。等【”根據實驗中測得的的材料斷裂曲線，提出了在力電耦和載荷作用下，導電裂紋的斷裂準則。對導電裂紋，斷裂曲線是應力強度因子和電場強度因子的函數。和【”等根據彈性體中的模態理論，提出了全新的適合于壓電介質的模態能理論，在該理論中考慮了各種模態能對材料破壞的

31、貢獻，認為當所有獨立的模態應變能中有一個達到其自身的臨界值時，材料將發生破壞失效，即模態理論：并假設各階模態應變能的線性組合構成材料某一點的整體模念能量，當壓電體的破壞和鐵電體的疇變是不同模態變形能的線性組合達到臨界值時發生的，即模態理論：他們根據壓電材料一斷裂實驗結果對提出的理論進行了驗證，得到了比較好的結果，但由于試驗數據較少，該理論還有待于進一步的驗證。迄今為止，有關正確的斷裂準則還沒有一個最后的結果，因為在以電場作為函數分析在實驗中得到的斷裂強度的時候，理論和實驗的結果總存在差異或相反的趨勢。還需要傲進步的研究工作。由于力電耦合效應，鐵電材料的分析是非常復雜的，因此發展能分析系統宏觀耦

32、合效應的數值方法，模擬結構和材料的耦合效應是非常有必要的。和”】建立了熱，電，磁和彈性材料的變分理論；和，”】提出了分析電收縮裝置中電收縮變形的有限元方法；和】應用有限元軟件包分析了壓電陶瓷中的裂紋擴展。和【冽引用基本的平衡方程提出了可用于有限元分析的電一力學勢能函數，并且還考慮了去極化對鐵電材料的影響。文獻”川】采用四節點和八節點壓電單元處理力電裂紋問題，取得了比較好大效果。主要研究內容本文在以前試驗研究的基礎上，利用以前的試驗結果，對橡膠復合材料的大變形粘彈性本構方程和失效規律進行了更深入地研究；同時針對智能結構中強度和斷裂等問題，研究了在力電耦合場作用下，智能陶瓷材料的破壞規律。因此本文

33、的內容主要包括以下幾個部分：（）簾線橡膠復合材料的本構模型的建立。針對現有本構模型存在一些問第】章緒論題，考慮到簾線橡膠復合材料的大變形和粘彈性等特性，本文將通過宏觀的方法能量法，建立一個適合于的簾線橡膠復合材料的大變形粘彈性本構模型，為從宏觀上研究大變形粘彈性橡膠復合材料本構模型提供了一種新途徑。（）簾線橡膠復合材料雙向拉一拉失效的研究。為了較準確地設計簾線橡膠復合材料的結構，本章將在深刻理解單層復合材料的應力狀態、簾線的應變和角度變化，以及斷裂行為的基礎上，建立適合于簾線橡膠復合材料的拉伸失效預報模型。由于條件的限制，本章僅僅對簾線橡膠復合材料的雙向拉伸性能和失效機理進行深入地研究，并建立

34、相應的簾線橡膠復合材料雙向拉伸失效的拉一拉失效準則，其他條件下的失效研究還有待進一步展開。（）為了研究在力一電耦合條件下，智能陶瓷材料的破壞規律，建立了新的力一電耦合系統，為研究壓電陶瓷材料的斷裂破壞規律奠定了基礎。（）通過實驗的方法，考慮了壓電智能材料中的力一電耦合效應，研究了電場對智能材料破壞的影響；采用有限元分析的方法，分析了壓電陶瓷破壞時缺口尖端的應力和電場分布：對匡等】提出的模態應變能失效理論進行了驗證。第章簾線橡膠復合材料雙向粘彈性能的研究：引言簾線橡膠復合材料的運用十分廣泛，其典型的構件如輪胎，軟管等橡膠復合材料結構在工程運用中常承受復雜載荷的作用，在輪胎等橡膠復合材料結構的設計

35、、分析和計算過程中需要大量的力學參數，由于橡膠復合材料雙向試驗的復雜性，以前人們只能采用橡膠復合材料的單向力學性能來預測輪胎等結構的力學性能。而非柔性復合材料的雙向試驗結果表明”】，雙向載荷條件下復合材料的力學性能與其單向力學性能有明顯的差異，用單向力學性能參數預測復合材料結構的力學性能勢必會產生教大的誤差，對于簾線橡膠復合材料，這一差異會更加突出當。橡膠復合材料是由增強材料和韌性橡膠基體組成，它在加載和卸載過程中顯示出與時間和溫度相關的力學特性，即使在室溫條件下也可以觀察到顯著的松弛和蠕交現象。為了確切地表示和描述不同材料隨時間、溫度等因素而發生變化的力學性能，必須采用理論和試驗相結合的研究

36、方法，通過數學的概念、經過分析和數學處理而表示成一定形式的關系式或方程，即粘彈性本構關系。因此為了優化設計輪胎等橡膠復合材料的結構，研究在復雜載荷條件下，橡膠復合材料的雙向蠕變和松弛規律就顯得非常迫切。本章將以尼龍簾線橡膠復合材料為代表，對橡膠復合材料的雙向蠕交和松弛等力學特性進行了深入地研究。并基于雙向松弛試驗研究得到的橡膠復合材料粘彈性力學行為，提出適合描述其在雙向載荷條件下力學響應的本構模型。為了表述的方便，在此定義了縱向和橫向的概念，縱向指的是纖維方向；橫向指的是垂直于纖維方向。雙向蠕變和松弛規律的研究由于簾線橡膠復合材料十字形雙向拉伸試件具有結構簡單，容易制造和價格低廉，可以很方便地

37、旋加所需的雙向載荷等優點，因此，在研究橡膠復合材料的雙向蠕變和松弛等力學特性時，選擇了簾線橡膠復合材料的十字形試件。試件的成型采用熱壓成型方法。成型溫度”，成型壓力，成型時間分鐘。為了防止試件在硫化成型時簾線的流動，在成型時，試件都施加了公斤的預張力。尼龍簾線橡膠復合材料的十字形試件的幾何尺寸如圖一所示。其厚度是，簾線的直徑，試驗區域。圖簾線橡膠復合材料十字型試件相關的復合材料板的剛度參數為：，”。在簾線橡膠復合材料板的雙向蠕變和松弛試驗中，數據的采集是由同步驅動器來完成的。整個數據采集系統的工作過程如圖所示。圖雙向拉伸試驗中數據的采集和處理系統試驗時，兩個載荷傳感器和兩個位移傳感器將試驗中每

38、個時刻的數據都實時地傳送給同步驅動器，由它來完成雙向載荷、雙向變形以及載荷第章竄線，檬駿復臺材料雙向粘彈性能的研究和變形的同步采集。試驗時兩路位移信號和載荷信號通過交換電路變成士的電壓信號后同時送入同步驅動器，同步后的信號經采集卡以數據文件的形式進入計算機，在計算機中經“載荷一電壓轉換系數”程序將電信號轉換為載荷數據文件及變形數據文件。整個數據采集系統的工作過程如圖所示。雙向蠕變規律的研究雙向蠕變試驗是在室溫下進行，為了能比較簾線橡膠復合材料的雙向蠕變性能與單向蠕變性能之間的差異，分別進行了單向蠕變試驗和雙向蠕變試驗。橡膠復合材料的單向蠕變試驗曲線如圖所示。（）縱向圖尼龍，橡膠復合材料的單向蠕

39、變規律、橫向其中縱向單向蠕交時的恒載荷為、；橫向單向蠕變時的恒載荷為、。其中縱向指的是纖維方向，橫向是垂直于纖維方向。從圖可以發現，在單向蠕變試驗中，隨著載荷水平的提高，尼龍一簾線橡膠復合材料縱向（）和橫向（）的應變也隨之提高：在各種應力水平下，蠕變趨勢是相同的，在恒定應力作用下，縱向應變及橫向應變都隨時間不斷增加，這說明尼龍簾線橡膠復合材料是與時間相關的材料，即具有粘彈性，是一種典型的粘彈性復合材料。在對尼龍簾線橡膠復合材料的雙向蠕變實驗中選擇了幾組縱向恒載荷（、）和橫向恒載荷（、）來研究尼龍一簾線橡膠復合材料的雙向蠕變規律。盯圖尼龍橡膠復合材料的縱向蠕變性能（）盯圖尼龍艨膠復合材料的橫向蠕

40、變行為圖表示橫向載荷（、）對材料縱向（、）蠕變性能的影響；圖表示縱向載荷（、）對材料橫向（、）蠕變性能的影響。由圖和圖可以發現，簾線橡膠復合材料在雙向載荷作用下，也表現出明顯的蠕變特性；對尼龍簾線橡膠復臺材料來說，雙向蠕變的應變與兩個方向的應力都有關系。當縱向載荷保持恒定時，隨著橫向載荷水平的提高，級向應變有所減小。這是由于試驗中選擇的級向載荷遠大于橫向載荷，因此縱向應變對橫向載荷的變化并不敏感，見圖，即對不同的橫向載荷，縱向應變變化范圍并不大；如果選擇的縱向和橫向載荷很接近的話，則，橫向載荷對縱向的蠕變影響將會很大。當橫向載荷保持恒定時，隨著縱向載荷水平的提高，橫向應變相應減小，見圖。由于選

41、擇的橡膠復合材料的縱向載荷遠高于橫向承載的載荷，因此，縱向載荷對橫向應變影響較大，縱向載荷越高，橫向應變就越小。從圖（，）還可以看出：雙向蠕變時的橫向應變低于相應的單向蠕變的橫向應變，這是由于縱向載荷對橫向蠕變抑制所引起的。雙向松弛規律的研究恒定應變下的應力松弛試驗也是驗證聚合物基復合材料的粘彈性行為的一種重要試驗手段。試驗在室溫條件下進行?？v向松弛選取四組應變，即、，橫向選取五組應變，即、。簾線橡膠復合材料的縱向和橫向單向松弛曲線如圖所示。圖尼龍橡膠橡膠茸合材料的單向松弛規律一第章簾線橡膠復合材料雙向粘彈性能的研究從圖中可以看出，在單向松弛試驗中，隨應變水平的提高，相應的應力也逐漸提高；當縱

42、向或橫向應變恒定時，應力總是在開始階段隨時間顯著減小，而后逐漸趨于平穩，趨于某一固定值，這也說明尼龍簾線橡膠復合材料是典型的粘彈性材料。由于橡膠復合材料常受到復雜的常應變載荷作用，因此研究材料的雙向松弛規律就顯得很有必要。本文通過雙向松弛試驗，揭示了尼龍簾線橡膠復合材料的雙向松弛規律。不同應變水平下，尼龍簾線橡膠復合材料的雙向松弛性能見圖至圖所示。圖時橡膠復合材料的松弛性能圖。時橡膠復合材料的松弛性能第章簾線，橡膠復合材料雙向粘彈性能的研究仁】圖時橡膠復合材料的松弛性能（）（）圖時橡膠復合材料的松弛性能（）（圖：時橡膠復合材料的松弛性能第章簾線橡膠復合材料雙向粘彈性能的研究暑皇盥塑（）（圖占時

43、橡膠復合材料的松弛陛能（）（）霉一一機竺忡竺：囂；篙享！戮一曲。鵂圖：時橡膠復合材料的松弛性能（）圖：時橡膠復合材料的松弛性能第章簾線增膠復臺材料皿向粘彈性能的研究圖。：時橡膠復合材料的松弛性能從圖至圖中可以看出，簾線橡膠復合材料在雙向載荷作用下，也表現出明顯的松弛特性。在雙向拉伸條件下，橡膠復合材料的松弛時的應力水平和縱、橫向的應變水平有一定的關系。對相同的橫向應變，其橫向應力隨縱向應變水平的提高而有明顯增大。這是由于對相同的橫向應變，縱向應變越大，相應的縱向載荷越大，而縱向載荷由使橫向應變減小的趨勢，橫向應變若要保持不變，橫向力就一定會增大。因此縱向應變越大，縱向力對橫向的影響就越大，橫向應力就越高。而對相同的縱向應變，縱向應力也隨橫向應變水平的提高而相應增大，但由于橫向應變所對應的橫向力和縱向力相比較小，對縱向力學性能的影響也很有限。當縱向應變很小的時候（如），橫向變形對縱向應力的影響較大，這是由于橫向的拉伸載荷和縱向應力相差很小，橫