（工程力学专业论文）复合材料湿热粘弹性理论及纳米尺度物质在固体表面运动模拟.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 复合材料，特别是聚合物基复合材料在热环境下将表现出明显的粘弹性性能。复 合材料在航空航天等高科技工业中的应用越来越广泛，而温度变化时热膨胀将产生热应 力，复合材料的粘弹性及热力学性能越来越受到重视。复合材料的超轻质化、多功能化 及智能化设计要求对复合材料进行细观力学研究及多尺度分析，而通过实验确定粘弹性 复合材料的热力学性能( 特别是复合材料的各相材料属性随温度变化时) 相当困难，所 以对复合材料的热粘弹性理论进行研究变得十分必要。 高聚物基复合材料的一个显著的弱点是其对环境( 尤其是对湿、热环境) 的变化 敏感。在高温、高湿度的环境中，复合材料的强度明显下降。复合材料的湿及湿热 耦合分析具有重要意义。 纳米科技已成为2 1 世纪科技界最具影响力的领域之一。物质在纳米尺度上具有特 殊的效应( 如量子效应、微尺度效应等) 表现出许多特异性能。在纳米尺度上研究物质 的运动规律、运动特点，揭示和掌握物质纳观行为规律和相互作用以进行材料设计、器 件及工程设计成为研究热点。 本文工作包括复合材料湿热粘弹性性能分析和纳米物质固体表面运动模拟两部分 相对独立的内容。第一部分研究了复合材料热、湿粘弹性多尺度分析方法，并在此基础 上研究了变温粘弹性复合材料( 复合材料性质随温度发生变化) 热、湿( 及其耦合) 的 粘弹性一般理论及多尺度分析方法；第二部分以烷烃为例，在纳米尺度上对气、液、固 三种物质形态的烷烃在两块作剪切运动板之间的运动进行分子动力学模拟分析。研究工 作包括： 1 基于均匀化理论研究了复合材料宏观热粘弹性松弛模量，以及复合材料等效热应力 松弛规律。引入了等效粘弹性热应力系数张量和等效时变热膨胀系数等新概念，建 立了含温度变化的复合材料热粘弹性本构关系。研究了复合材料热粘弹性的多尺度 数值分析方法，给出了预测复合材料热粘弹性力学性能的有限元数值实现步骤。单 向纤维复合材料的一维热变形分析数据显示了热应交对时间的依赖关系。用有限元 软件a n s y s 对单向纤维增强复合材料进行了分析，证明了本文提供方法的有效性 和准确性。 2 研究了复合材料变温粘弹性分析的一般理论，给出了基于均匀化理论的复合材料变 复合材料湿热粘弹性理论及纳米尺度物质在固体表面运动模拟 温粘弹性分析的多尺度方法。引入了终态温度等效粘弹性热应力系数张量和等效时 变热膨胀系数的概念，建立了含连续温度变化的复合材料热粘弹性本构关系，并给 出了基于均匀化理论的复合材料终态温度等效粘弹性松弛模量、终态温度等效热应 力松弛系数和终态温度等效时变热膨胀系数的预测方法。 3 在复合材料变温粘弹性理论基础上，研究了具有热流变简单材料性质的单向纤维复 合材料在连续温度变化情况下的粘弹性本构关系。通过算例说明了温度变化率对复 合材料热力学性能的重要影响。单向纤维复合材料的一维变温热变形分析数据不仅 显示了热应变对时间的强烈依赖关系，而且显示了热变形对温度变化历史的敏感 性。 4 通过引入当量湿膨胀系数的概念，使复合材料中的每相材料的湿膨胀具有统一的表 达式，进而研究了复合材料湿粘弹性理论，引入了等效时变湿膨胀系数的概念并给 出了预测方法。建立了复合材料湿粘弹性本构关系，发现粘弹性复合材料的湿膨胀 不能瞬时完成而具有明显的时变性质。 5 建立了复合材料粘弹性湿热膨胀的本构关系，发现当复合材料中的组分材料属性随 温度或湿度变化时，即使复合材料中的各相材料本身没有湿热耦合现象，而对于复 合材料总体却表现出明显的湿热耦合现象。建立了复合材料湿热耦合理论，介绍了 热流变复合材料湿热耦合分析的数值方法。 6 以烷烃为例，在纳米尺度上对气、液、固三种物质形态的烷烃在两块作剪切运动板 之间的运动进行基于高质量的c o m p a s s 力场的分子动力学模拟分析。分析了烷烃分 子在不同速度下的剪切运动特征及剪切应力的变化规律。不同状态烷烃分子的对比 分析说明，纳米尺度固态物质的流动性并不比流体流动性能差，而且在一定速度下 固态物质的流动性更好，这一现象不同于传统流动的结论。 本文工作得到国家自然科学基金重点项目( 编号：1 0 3 3 2 0 1 0 ) 、重大研究计划项 目( 编号：9 0 2 0 5 0 2 9 ) 以及教育部优秀青年教师培养计划( 2 0 0 2 ) 的资助。 关键词：复合材料，变温粘弹性，热膨胀，湿膨胀，湿热耦合，本构方程，均匀化 理论，分子动力学。纳米，剪切流动 一i t 大连理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p o s i t e m a t e r i a l se x h i b i to b v i o u sv i s c o e l a s t i cb e h a v i o ru n d e r t e m p e r a t u r e ，p a r t i c u l a r l y t h o s e c o n t a i n i n gp o l y m e r s a n dv i s c o e l a s t i cm a t r i x w h e nc o m p o s i t em a t e r i a l sa r eu n d e r t e m p e r a t u r ec h a n g e s ，t h et h e r m a ls t r e s s w i l lr e s u l tf r o mt h ee x p a n s i o no fc o m p o n e n t so f c o m p o s i t em a t e r i a l s t h e w i d ea p p l i c a t i o n so fc o m p o s i t em a t e r i a l si na d v a n c e di n d u s t r i e s m a k et h er e s e a r c ho ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l sv i s c o e l a s t i ca n dt h e r m a lp r o p e r t i e sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t o no n eh a n d ，t h ed e s i g n so fu l t r a l i g h t ，m u l t i f u n c t i o na n di n t e l l i g e n t i z i n g r e q u i r et h er e s e a r c ho fc o m p o s i t em a t e r i a l si nm i c r o m e c h a n i c sa n dm u l t i s c a l ea n a l y s i s o n t h eo t h e rh a n d ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt h a tt h et h e r m a lm e c h a n i c sp r o p e r t i e so fv i s c o e l a s t i c c o m p o s i t e m a t e r i a l sa r eo b t a i n e d b ye x p e r i m e n t ，p a r t i c u l a r l y w h e nt h e p r o p e r t i e s o f c o m p o n e n t so fc o m p o s i t em a t e r i a l sa r er e l a t e dw i mt e m p e r a t u r e t h u st h er e s e a r c ho ft h e t h e r m a lv i s c o e l a s t i ct h e o r yo fc o m p o s i t em a t e r i a l si sa ni m p o r t a n tt a s k a st h ep o l y m e ri s h y d r o p h i l i c ，i tw i l la b s o r bt h em o i s t u r ei nh i g hh u m i de n v i r o n m e n t r e c e n t l y ，t h ef a i l u r e c a u s e db ym o i s t u r ea n dh e a ti so f t e no b s e r v e di np a c k a g es o l d e rr e f l o wa n dc o m p o s i t e m a t e r i a l sw h i c ha b s o r bm o i s t u r e t h u st h ea n a l y s i so f h y d r o p h i l i cb e h a v i o ro fc o m p o s i t e m a t e r i a l si sv e r yi m p o r t a n t n a n o s c i e n c ea n dn a n o t e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c h e si nt h e2 1 s t c e n t u r y t h e r ee x i s ti nn a n o - s c a l em a t t e r sm a n ys p e c i a le f f e c t s ，s u c h a sq u a n t u m e f f e c t ，m i c r o s c a l ee f f e c ta n ds oo n t h e s es p e c i a le f f e c t sw o u l dr e s u l t i nr e l a t e ds p e c i a l p r o p e r t i e sa n d b e h a v i o r so fm a t t e r s t h er e s e a r c he m p h a s e sa r em a i n l y p l a c e do nb e h a v i o ra n dv a r i a t i o no f m a t t e r si nl l a n o - s c a l e ，t h el l a n o - e n g i n e e r i n gb a s e do nt h eb e h a v i o ro fm a t t e r si nn a n o s c a l ea n d t h ee f f e c t so f t h e s eb e h a v i o r sa n dv a r i a t i o no n t h em a c r o - p r o p e r t i e so f m a t t e r s i nt h i s t h e s i s ，t h em u l t i s c a l em e t h o d sf o r a n a l y s i s o ft h et h e r m a la n dm o i s t u r e v i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so f c o m p o s i t em a t e r i a l sa r ep r e s e n t e d ，a n do nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h ， t h eg e n e r a lt h e o r ya n dm u l t i s c a l em e t h o d sf o ra n a l y s i so f t h e r m a la n dm o i s t u r ep r o p e r t i e so f c o m p o s i t em a t e r i a l su n d e rt e m p e r a t u r ec h a n g e sa r ea l s op r e s e n t e d s o m en e w c o n c e p t sa r e d e f i n e di nt h ea b o v er e s e a r c h t h em o l e c u l a rd y n a m i c ss t u d yo f t h ea l k y lm a t t e r si nt h r e e i i i 复合材料湿热粘弹性理论及纳米尺度物质在固体表面运动模拟 d i f f e r e n ts t a t e s ( g a s ，f l u i d ，s o l i d ) w h i c hf l o wb e t w e e nt w os o l i ds u r f a c e si sp r e s e n t e da n ds o m e c o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d t h ec o n t e n t sa n dt h ec o n c l u s i o n si nt h i sp a p e ri n c l u d e ： 1 b a s e do nt h e h o m o g e n i z a t i o nt h e o r y ，t h e m u l t i s c a l e a n a l y s i s m e t h o d so ft h e v i s c o e l a s t i c i t yo f t h ec o m p o s i t em a t e r i a l s ，a n dt h ee f f e c t i v et h e r m a ls t r e s sr e l a x a t i o nl a w s a r es t u d i e di nt h i sp a p e r b y d e f i n i n gt h ec o n c e p t s ，t h ee f f e c t i v et h e r m a ls t r e s s r e l a x a t i o n m o d u l u s ( e t s r m ) a n d t h ee f f e c t i v et i m e d e p e n d e n tc o e f f i c i e n t so ft h e r m a le x p a n s i o n ( e t c t e ) ，t h et h e r m a lv i s c o e l a s t i cc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n i se x p r e s s e di nt h es a m ef o r ma s t h a to fc o n v e n t i o n a lm a t e r i a l s t h em u l t i s c a l en u m e r i cm e t h o d sf o ra n a l y s i so ft h e t h e r m a lv i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so fc o m p o s i t em a t e r i a l sa r ep r e s e n t e d t h ef i n i t ee l e m e n t p r o c e s s e s f o r p r e d i c t i n gt h ee f f e c t i v ev i s c o e l a s t i cr e l a x a t i o nm o d u l u s ，e t s r m a n de t c e t a x eg i v e n t h ed e f o r m a t i o na n a l y s i so fo n e d i m e n s i o n a ls t r u c t u r eo fu n i d i r e c t i o n a lf i b e r r e i n f o r c e dc o m p o s i t e ss h o w st h a tt h et h e r m a ls t r a i nd e p e n d so nt i m e 2 t h eg e n e r a lt h e o r ya n dm u l t i s c a l em e t h o d sf o r a n a l y s i so fc o m p o s i t em a t e r i a l s ，t h e c o m p o n e n t s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fw h i c ha r er e l a t e dw i t h t e m p e r a t u r e ，a r e a l s o p r e s e n t e d b yd e f i n i n gt h ec o n c e p t s ，t h ee f f e c t i v et h e r m a ls t r e s sr e l a x a t i o nm o d u l u sa t f i n a lt e m p e r a t u r e ( e t s r m f t ) a n dt h ee f f e c t i v et i m e d e p e n d e n tc o e f f i c i e n t so ft h e r m a l e x p a n s i o n a tf i n a lt e m p e r a t u r e ( e t c t e f t ) ，t h et h e r m a lv i s c o e l a s t i cc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n i so b t a i n e du n d e rc o n t i n u o u st e m p e r a t u r ec h a n g e s 3 b a s e do nt h eg e n e r a lt h e o r ya n dm u l t i - s c a l em e t h o d sf o ra n a l y s i so f c o m p o s i t em a t e r i a l s u n d e rt e m p e r a t u r e ，t h en u m e r i c a la n a l y s i so ft h e r m a lv i s c o e l a s t i cc o n s t i t u t i v ee q u a t i o no f t h ec o m p o s i t em a t e r i a l sw i t ht h ef i b e rr e i n f o r c e dt h e r m o r h e o l o g i c a lm a t r i xi sp r e s e n t e d e t s r m f ta n de t c e t f to fu n i d i r e c t i o n a lf i b e rr e i n f o r c e d c o m p o s i t em a t e r i a l sa n d t h e i rt e m p e r a t u r ed e p e n d e n c ya r es t u d i e d t h ed e f o r m a t i o na n a l y s i so fo n e d i m e n s i o n a l s t r u c t u r eo fu n i d i r e c t i o n a lf i b e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e sn o to n l ys h o w st h a tt h et h e r m a l s t r a i nd e p e n d so nt i m ei n t e n s i v e l y ，b u tt h et h e r m a ls t r a i ni ss e n s i t i v et ot h et e m p e r a t u r e l l i s t o r y 4 t h em o i s t u r ee x p a n s i o n so f a l lt h e c o m p o n e n t so f c o m p o s i t em a t e r i a l sa r ee x p r e s s e di nt h e s a m ef o r mt h r o u g hd e f i n i n gt h ec o n c e p to ft h ec o r r e s p o n d i n gm o i s t u r ee x p a n s i o na n dt h e m o i s t u r ev i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so f c o m p o s i t em a t e r i a l sa r es t u d i e d t h ed e f i n i t i o na n dt h e 大连理工大学硕士学位论文 p r e d i c t i n gm e t h o do ft h ee f f e c t i v et i m e d e p e n d e n tm o i s t u r ee x p a n s i o nc o e f f i c i e n t sa r e g i v e n t h e m o i s t u r ev i s c o e l a s t i cc o n s t i t u t i v e e q u a t i o n i s p r e s e n t e d t h e m o i s t u r e e x p a n s i o np r o c e s so f c o m p o s i t e m a t e r i a l sc a nn o tb e c o m p l e t e di n s t a n t a n e o u s l y , e x h i b i t i n g o b v i o u s t i m e d e l a y e f f e c t ，t h em u l t i s c a l em e t h o d sf o r a n a l y s i s o ft h em o i s t u r e v i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so f c o m p o s i t em a t e r i a l sa r ei n t r o d u c e d 5 t h et h e r m a l h y d r o - m e c h a n i c a lv i s c o e l a s t i cc o n s t i t u t i v e e q u a t i o ni sp r e s e n t e d w ef i n d w h e nt h em e c h a n i c a lp r o p e f t i e so f e v e r yc o m p o n e n to fc o m p o s i t em a t e r a l sa r er e l a t e d w i t ht e m p e r a t u r eo rm o i s t u r e ，t h ec o m p o s i t em a t e r i a l sw i l lh a v eo b v i o u s c o u p l e dt h e r m o 一 。h y d r o m e c h a n i c a le f f e c t se v e ni fe v e r yc o m p o n e n t o f c o m p o s i t em a t e r i a l sh a s h tc o u p l e d t h e r m o h y d r o 。m e c h a n i c a l e f f e c t s t h e h y g r o t h e r m a l v i s c o e l a s t i c t h e o r y o fc o m p o s i t e m a t e r i a l si ss t u d i e d t h ea n a l y s i so ft h ec o u p l e dt h e r m o - h y d r o m e c h a n i c a le f f e c t so ft h e c o m p o s i t em a t e r i a l sw i t ht h ef i b e rr e i n f o r c e dt h e r m o r h e o l o g i c a lm a t r i xi sp r e s e n t e da n d t h em u l t i s c a l en u m e r i cm e t h o d sf o ra n a l y s i so ft h ec o u p l e dt h e r m o h y d r o m e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h ec o m p o s i t e m a t e r i a l sa r ei n t r o d u c e d 6 b a s e do nt h ea d v a n c e dm o l e c u l a rp o t e n t i a l sc o m p a s s ，t h em o l e c u l a r d y n a m i c sr e s e a r c h o ft h ea l k y lm a t t e r si nt h r e ed i f f e r e n ts t a t e s ( g a s ，f l u i d ，s o l i d ) w h i c hf l o wb e t w e e nt w o s o l i ds u r f a c e si sp r e s e n t e d t h es h e a rf l o wc h a r a c t e ro f t h e a l k y lm o l e c u l e sa n dt h e i rs h e a r s t r e s sl a wa r es t u d i e da td i f f e r e n ts p e e d s b yt h ea n a l y s i so ft h ea l k y lm o l e c u l e si nt h r e e d i f f e r e n tm a c r o s c o p i c a ls t a t e s ，w ef i n dt h ef l o wp r o p e r t yo ft h el l a n o s c a l e s o l i di s n ，t w o r s et h a nt h en a n o s c a l ef l u i d ，a n dt h ef l o w p r o p e r t yo f t h en a n o - s c a l es o l i di sb e t t e rt h a n t h el l a n o s c a l ef l u i da ts o m e s p e e d s t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni s s u p p o r t e db yt h em a j o rr e s e a r c hp l a n ( g r a n tn o 9 0 2 0 5 0 2 9 ) a n dt h em a j o rp r o g r a m ( g r a n tn o 1 0 3 3 2 0 1 0 ) o fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a , a n dt h ee x c e l l e n ty o u n gt e a c h e r sp r o g r a m ( e y t p ) o f m o eo fc h i n a ( 2 0 0 2 ) a l lt h ef i n a n c i a lc o n t r i b u t i o n sa r eg r a t e f u l l ya c k n o w l e d g e d k e yw o r d s ：c o m p o s i t em a t e r i a l ，v i s c o e l a s t i c i t yu n d e rn o n c o n s t a n t t e m p e r a t u r es t a t e t h e r m a le x p a n s i o n ，m o i s t u r ee x p a n s i o n ，h o m o g e n i z a t i o nt h e o r y ，c o u p l e dh y d r o t h e r m o m e c h a n i c a le f f e c t s ，c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ，m o l e c u l a r d y n a m i c s ，n a n o ，s h e a rf l o w v 大连理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1引言 材料是科学和技术发展的物质基础。从石器时代、青铜器时代到铁器时代，再到 现在的复合材料、纳米材料时代，材料被作为人类文明发展阶段的标志。复合材料是由两 种或两种以上性能不同的材料构成的多相材料。其组成材料称为组分相，组分相间的结合 面称为界面。复合材料各组分相除能保留各自的一些主要优点外，还相互协调作用，提供 单一组分相不具备的优异性能。先进复合材料由于具有比强度和比刚度高、材料性能的可 设计性等优点，近几十年来已被广泛应用于航空、航天、机械、船舶、土木工程以及电 子、医疗、体育用品等各个领域。复合材料从诞生之日起，其研究工作就沿着两个主要方 向进行，一是针对工程应用的复合材料宏观结构力学的研究，二是针对材料力学性能的复 合材料细观力学的研究。宏观力学方法以材料实验为基础，归纳出材料的本构关系、损伤 和破坏规律，为材料和结构的分析、设计和应用提供依据和方法。而细观力学方法是用连 续介质力学的方法建立复合材料性质与复合材料相材料性质和微结构参数的关联，得到复 合材料的宏观本构方程和损伤的宏观表征，描述在外载作用下材料的变形、损伤和破坏规 律。细观力学已成为实现复合材料设计、优化不可缺少的力学理论基础，众多学者对复合 材料细观力学性能进行了研究【l 叫。 复合材料中聚合物以及其他粘弹性基体材料的大量使用，使粘弹性成为这类复合材料 的重要性质；而金属基及陶瓷基复合材料，在高温下基体将表现出明显的蠕变行为，所以 复合材料粘弹性性能研究成为重要的研究课题。复合材料热膨胀行为的理论预测一直是个 重要的研究课题【5 j 。随着复合材料在高科技领域的广泛应用，该问题的重要性仍在加大， 例如当固体温度突然变化时，由于热膨胀的原因内部将产生热应力，如果产生的热应力足 够大就会引起开裂和剥落。这种现象在航天科技及电子封装过程中经常遇到。尽管线弹性 复合材料的热膨胀行为预测已有多种成功的方法，但粘弹性复合材料的热膨胀行为预测工 作尚需大量的研究工作【6 】。 在工程实际中大部分复合材料都要经历变温过程，例如材料的退火、回火过程，复合 材料要经历春夏秋冬的季节变化，航天航空中材料更要经历不断变温过程，所以复合材料 变温粘弹性的研究具有重要的现实意义，也被众多学者所研究n 8 1 。例如飞船在上天和返回 地面时以及在太空中都将经历很大的温度变化。如文献 7 】所述，由于温度变化的任意性， 通过实验测定变温复合材料的等效力学属性将变的非常困难，所以基于理论和数值方法对 一般变温复合材料的热力学性能进行研究变得十分必要，目前还没有见到对此方面的研究 工作。 高聚物基复合材料的一个显著的弱点是其对环境的敏感性，尤其是对湿、热影响 敏感。因此，在高温、高湿度的环境中，复合材料的强度明显下降，威胁到结构、设 复合材料湿热粘弹性理论及纳米尺度物质在固体表面运动模拟 备的安全。例如在航天航空科技中、微电子封装过程中等等。复合材料的湿分析一直 是重要的研究课题。 纳米科技已成为2 l 世纪以来科技界最具影响力的领域之一。纳米科技是通过研究 电子、原子、分子等微观粒子在( 0 1 1 0 0 ) n m 尺度空间上的内在运动规律、内在运动特 点，进而揭示和掌握物质的行为规律和相互作用，从而指导纳米工程设计，以实现通过直 接操纵微观粒子生成具有特定功能的材料和设备为最终目标的科学与技术。著名的诺贝尔 奖获得者f e y n e m a n 早在6 0 年代就预言：如果对物体微小规模上加以排列的话，物体就能得 到大量的异乎寻常的特性。进入2 0 世纪9 0 年代，纳米技术已成为- v j 新兴技术，被世界很 多国家列为2 1 世纪的关键技术之一，并投入大量的人力、物力进行研究开发。 纳米科技这一新兴的多学科交叉的前沿领域以许多现代先进科学技术为基础，是 现代科学( 混沌物理、量子力学、介观物理、量子化学、分子生物学) 和现代科学技术 ( 计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术) 结合的产物，几乎涉及到了 电子、材料、机械、信息、力学、化工、测量、医学、生物等各学科领域，从而衍生出一 系列纳米尺度上的新学科分支，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米力学、纳米摩擦学、 纳米生物学等等【9 1 1 。 纳米力学是纳米科学的重要组成部分，引起了国内外学者的广泛关注l l2 ，”j 。纳米 力学从研究手段上可以分为：纳米计算力学、纳米实验力学和纳米力学理论。纳米计算力 学有不同的数值模拟类型，例如连续介质模型h 】，分子动力学模拟( m d ) 【u l ，跨层次算法【1 6 1 等等。微电子机械系统m e m s 的形成过程，以及新一代药物及细胞、d n a 在体液中的运动 i l l 等等，这些都涉及到纳米尺度的流体在两界面间的流动问题，众多学者对此问题进行了 研究1 8 】。 1 2 本文的主要工作 本文工作包括复合材料湿热粘弹性性能分析和纳米物质固体表面运动模拟两部分相对 独立的内容。第部分研究了复合材料热、湿粘弹性多尺度分析方法，并在此基础上研究 了变温粘弹性复合材料( 复合材料性质随温度发生变化) 热、湿( 及其耦合) 的粘弹性一 般理论及多尺度分析方法；第二部分以烷烃为例，在纳米尺度上对气、液、固三种物质形 态的烷烃在两块作剪切运动板之间的运动进行分子动力学模拟分析。研究工作包括： 1 基于均匀化理论研究了复合材料粘弹性分析的理论，以及复合材料等效热应力松弛规 律。引入了等效粘弹性热应力系数张量和等效时变热膨胀系数等新概念，建立了含温 度变化的复合材料热粘弹性本构关系，并给出了基于均匀化理论的复合材料粘弹性松 弛模量、等效热应力松弛系数和等效时变热膨胀系数的预测方法。对特殊复合材料的 粘弹性性质进行了分析，结果表明： ( 1 ) 复合材料的粘弹性本构关系具有和常规材料 的本构关系类似的形式，但一般复合材料的热应力松弛规律与常规材料不同，其热膨 2 大连理工大学硕士学位论文 胀不能瞬时完成，而具有明显的时变性质：( 2 ) 空心材料的热膨胀具有瞬时性质，其 等效时变热膨胀系数与基体材料的热膨胀系数相同，其热应力松弛规律与基体材料的 松弛规律相同；( 3 ) 当各组分材料的松弛模量的各分量可分解成不同的系数与相同的 时间函数的乘积时，复合材料的等效时变热膨胀系数与时间无关，其松弛规律与常规 材料的松弛规律完全相同。 2 研究了复合材料热粘弹性的多尺度数值分析方法，给出了预测复合材料粘弹性松弛模 量、等效热应力松弛系数和等效时变热膨胀系数的均匀化方法的有限元数值实现步 骤，研究了单向纤维增强复合材料随温度变化的粘弹性本构关系，以及热应力松弛规 律和热膨胀系数的时变特征。单向纤维复合材料的一维热变形分析数据显示了热应变 对时间的依赖关系；以数值形式给出的等效热应力松弛模量对时间的依赖关系表明， 等效的热应力松弛模量对时间的依赖性较弱。用有限元软件a n s y s 对单向纤维增强 复合材料进行了分析，证明了本文提供的方法的有效性和准确性。 3 研究了复合材料变温粘弹性的一般理论，基于均匀化理论研究了复合材料变温粘弹性 分析的多尺度方法。引入了终态温度等效粘弹性热应力系数张量和等效时变热膨胀系 数的概念，建立了含连续温度变化的复合材料热粘弹性本构关系，并给出了基于均匀 化理论的复合材料终态温度粘弹性松弛模量、终态温度等效热应力松弛系数和终态温 度等效时变热膨胀系数的预测方法。所得本构模型对于变温与恒温具有统一的形式， 有利于温度场下热力学的求解分析。然后就热流变基体弹性增强相的特殊复合材料进 行了理论推导，指出了其热流变规律并给出了相应的预测公式。 4 在复合材料变温粘弹性理论基础上，研究了具有热流变简单材料性质的单向纤维复合 材料在连续温度变化情况下的粘弹性本构关系，分析了终态温度热应力松弛规律和热 膨胀系数的时变特征以及它们对温度变化历史的依赖关系。通过算例说明了温度变化 率对复合材料热力学性能的重要影响。单向纤维复合材料的一维变温热变形分析数据 不仅显示了热应变对时间的强烈依赖关系，而且显示了热变形对温度变化历史的敏感 性。 5 通过引入当量湿膨胀系数的概念，使复合材料中的每相材料的湿膨胀具有统一的表达 式，进而研究了复合材料湿粘弹性理论，引入了等效时变湿膨胀系数的概念并给出了 预测方法。建立了复合材料湿粘弹性本构关系，发现粘弹性复合材料的湿膨胀不能瞬 时完成，而具有明显的时变性质。说明了复合材料湿粘弹性的多尺度数值分析方法。 6 建立了复合材料粘弹性湿热膨胀的本构关系，发现当复合材料中的组分材料属性随温 度或湿度变化时，即使复合材料中的各相材料本身没有湿热耦合现象，而对于复合材 料总体却表现出明显的湿热耦合现象。建立了复合材料湿热耦合理论，对热流变复合 材料进行湿热耦合分析并说明了数值分析方法。 7 以烷烃为例，在纳米尺度上对三种物质形态( 气态、液态、固态) 的烷烃在两块作剪 3 复合材料湿热粘弹性理论及纳米尺度物质在固体表面运动模拟 切运动板之间的运动行为进行基于高质量的c o m p a s s 力场的分子动力学模拟分析。分 析了烷烃分子在不同速度下的剪切运动特征及剪切应力的变化规律，通过对不同状态 烷烃分子的对比分析，得出了固态物质在纳米尺度的流动性并不比流体流动性能差而 且在一定速度下固态物质的流动性更好这一不同于传统流动的结论。 参考文献 1 刘书田，复合材料热弹性分析及优化设计，博士论文，1 9 9 6 2 胡更开，郑泉水，黄筑平复合材料有效弹性性质分析方法明力学进展，2 0 0 1 ，3 1 ( 3 ) ：3 6 1 3 9 3 3 g m o d e g a r d c o n s t i t u t i v e m o d e l i n g o f p i e z o e l e c w i cp o l y m e r c o m p o s i w s j a c t a m a t e r i a l 江2 0 0 4 ，5 2 ：5 3 1 5 5 3 3 0 4 e ，c h a b e n ，r d e n d i e v e i ，c g a u t h i e r , e ta 1 p r e d i c t i o n o ft h ee l a s t i cr e s p o n s eo fp o l y m e rb a s e d n a n o c o m p o s i t e s ：am e t i lf i e l da p p r o a c ha n dad i s c r e t es i m u l a t i o n j c o m p o s i t e ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ，6 4 ：3 0 9 - 3 1 6 5 刘书田，程耿东单向纤维复合材料热膨胀系数预测f j 】复合材料学报，1 9 9 7 ，1 4 ：7 6 - 8 2 6 刘书田，马宁粘弹性复合材料热应力松弛与本构关系研究( i ) ：理论分析叽复合材料学报，2 0 0 5 ， 2 2 ( i ) ：1 5 2 1 5 7 7