橡胶复合材料的双向力学特性与铁电陶瓷材料的断裂实验研究_图文

1、上海交通大学博士后士学位论文橡胶复合材料的双向力学特性与铁电陶瓷材料的断姓名：张丰发申请学位级别：博士后士专业：固体力学指导教师：匡震邦20050201摘要摘要帘线橡胶复合材料是一种典型的非线性粘弹性柔性复合材料，对帘线橡胶复合材料在双向受力条件下的力学性能研究，到目前为止国内外尚没有相关研究报导：压电材料是一种能在电能和机械能之间进行转换的功能性材料，由于这些智能陶瓷在应用过程中可能要承受静态、动态或循环和力载和电载荷的作用，出现了智能陶瓷材料的强度和断裂等问题，因此研究智能压电陶瓷材料的失效规律很有必要。本文对帘线橡胶复合材料的双向力学特性进行了系统地研究。探讨了帘线橡胶复合材料双向拉伸时

2、的力学行为和规律及蠕变和应力松驰规律：基于横观各向同性材料的本构模型，首次提出适合描述其在双向载荷条件下力学响应的本构模型。为建立帘线橡胶复合材料的本构关系和失效准则提供更加充分的依据。考虑到帘线橡胶复合材料的大变形和粘弹性等特点，首次将自由能函数引入到橡胶复合材料领域，通过引入了帘线损伤参数的概念，建立了大变形粘弹性宏观本构模型。在双向力学性能试验研究的基础上，对帘线橡胶复合材料的双向拉一拉失效机理和失效规律进行了研究。考虑了帘线角度对失效数据的影响并针对不同失效模式，建立了相应的失效准则。其有效性也通过材料的双向拉伸试验结果得到了验证。建立了压电陶瓷材料的力一电耦合加载装置，并通过三点弯曲

3、实验对一在力电耦合载荷作用的破坏规律进行了研究。发现了模态能和电场的关系，验证了匡提出的预测压电材料破坏的模态能理论。由于时间限制，在力一电耦合载荷条件下压电陶瓷材料的失效问题还需要进一步的研究和深化，这也是下一步工作的重点。关键词三点弯曲实验；力一电耦合加载；压电陶瓷材料；帘线橡胶复合材料失效准则：本构模型上海交通大学博后出站工作报告，、，；：；第章绪论第章绪论研究背景帘线橡胶复合材料是由帘线增强材料和橡胶基体材料经过有效的复合而形成的一种典型的具有特定功能的柔性复合材料。作为一种先进的工程材料，帘线橡胶复合材料已经被广泛地运用在航空器、汽车和电厂等各种结构系统中。这些系统的安全性和可靠性均

4、都依赖于人们对系统中各组成部件的设计，帘线橡胶复合材料的力学特性则成为结构设计中必须考虑的重要因素。对其研究也日趋深入。对帘线橡胶复合材料来说，其构件在实际运用过程中常承受复杂载荷的作用，如航空器的机翼结构和机体板就是遭受弯曲和扭转复合应力作用：汽车中的轮胎和电厂中的压力容器和管道也是在两轴或三轴应力条件下工作的。为了保证这些工程结构的可靠运行，必须对其进行有效设计。为此全面评价复合材料在复杂应力条件下的力学本构和失效规律就非常重要和十分必要。压电材料是一种能在电能和机械能之间进行转换的功能性材料。自和发现电气石的压电效应以来，压电材料经历了压电晶体、压电陶瓷、压电薄膜、压电聚合物和压电复合物

5、等发展阶段，年锆钛酸铅（即）的实用化运用，大大提高了压电材料的应用速度，是压电材料的应用出现了一个崭新的局面，出现了实用的压电陶瓷超声换能器、音频换能器、压力传感器、滤波器、谐振器以及声表面波器件等。其在智能结构、微机械电子系统、微型机器人、微型泵、压电超声马达、扫描隧道显微镜及原子力显微镜等方面也得到了十分广泛地运用。常用的压电陶瓷有。，刀和皿等。由于这些智能陶瓷在应用过程中可能要承受静态、动态或循环和力载和电载荷的作用，因此出现了智能材料的强度、断裂和疲劳等问题，而控制器和传感器的安全性可靠睦要求都很高，这就需要我们对智能材料的失效有深入的理解和掌握，因此研究压电材料的失效规律具有很重要的

6、意义。第章绪论研究现状橡胶复合材料粘弹性能的研究复合材料是一种很复杂的材料体系，其复杂性不仅在于它的各向异性，还在于其微观上的不均匀性，橡胶复合材料也是一样。定载荷时，材料的伸长随着时间的增加而增大，这就是蠕变，而定伸长时，作用在固体粘弹性材料上的载荷随时间的增加而减小，这就是材料的应力松弛。在特定复合材料的硫化过程中，粘弹性对复合材料的残余应力的重新分布起到了主要的作用。在加载时，载荷可以从具有粘弹性的基体材料转移到能承载的纤维增强材料上，如没有这个性能，则基体就很容易开裂。因】研究了单向环氧对称角铺设层板的应力松弛行研究了）（和聚乙烯管的蠕变试验，发现蠕变柔，研究了试件体积与粘弹性特对橡胶

7、复合材料的粘弹性能研究也主要局限于单向蠕变和松弛性能研了大量的研究工作。马浩提出了线粘一非线弹基本假设，应用此研究复合材料的粘弹性是非常重要的，在高负荷、长久承载和循环载荷作用下，就必须考虑复合材料的粘弹性。为。结果发现，时间和加载速率对聚合物基复合材料的力学性能有重要影响：量极大的依赖于所施加的应力：征函数之间的相互关系，体积增加对粘弹性特性的影响类似于提高温度所产生的影向：和研究了层板的蠕变性能，他们建立了一种分析模型，用于优化层板的蠕变特性；仲伟虹等【副避开了复杂的本构关系推导及蠕变过程中应力、应变的叠代计算，研究了施加不同预应力及含不同胶粘剂的层板（时的蠕变特性：多方向缠绕的管状试件将

8、表现出粘弹性行为。和对在双向轴拉伸一内压载荷作用下的±玻璃纤维习：氧管的粘弹性行为进行了研究，试验结果表明，加载速度可能会影响复合材料的应力应变关系和失效模式。究，双向蠕变和松弛性能的研究还未见报道。哈尔滨工业大学的马浩【“、张秋华”、刘宇艳等人对橡胶复合材料在单向载荷条件下的粘弹特性做理论，研究了人造丝增强橡胶复合材料的本构特性；在橡胶复合材料静态粘弹特性的基础上，张秋华研究了人造丝增强橡胶复合材料的纵向冲击拉伸特性，通过大量的不同冲击速度、不同温度下的高速拉伸冲击试验，对人造丝第章绪论纤维增强橡胶复合材料的粘弹特性进行了研究：刘宇艳针对橡胶复合材料的力学特点，自行建立了适于该材料

9、的疲劳测试系统，首次实现了疲劳试验中材料载荷、变形、温度、滞后损失等的实时监测，为橡胶复合材料疲劳特性的研究奠定了基础。本文将在单向粘弹性研究的基础上，对双向条件下的蠕变和松弛性能进行初步地研究和探讨，为橡胶复合材料双向粘弹性能的理论研究提供丰富的试验资料。橡胶复合材料本构模型的研究最早的帘线橡胶复合材料的材料模型是和仉圳提出来的均匀模型。随着研究的进一步深入，和¨刮对进行了进一步的简化，提出了一个适合于正交各向异性材料的均匀模型。考虑帘线的扭曲特征，和”】提出单向单层帘线橡胶复合材料的材料模型。考虑到帘线橡胶复合材料的拉伸、弯曲和扭转耦合效应。和采用帘线和橡胶单元的微观模型研究了帘

10、线复合材料的性能。，采用微极理论研究了扭曲帘线橡胶复合材料的端部效应，该理论认为帘线扭曲的影响可以通过其有效模量来实现【”，它的模量和单位长度的扭曲量存在一定的关系。橡胶复合材料细观本构理论的具体形式【】。在现有的文献中，帘线增强弹性体的单极热力学行为常被疏忽【”。但由于硫化的帘线橡胶复合材料在降温过程中，帘线产生的扭转应力常常引起整个试件的扭曲，造成试件的尺寸不稳。因此（】提出的包括提出的帘线热效应的帘线增强复合材料的单极本构方程，研究了热载对帘线橡胶复合材料力学性能的影响，其提出的热一力学本构方程。大变形、非线性和粘弹性是帘线橡胶复合材料的显著特征。在一定的应力和时间范围内，软的生物组织，

11、如血管、腱、韧带和弹性结构，如汽车轮胎和皮带等都表现出明显的粘弹性能。因此建立橡胶复合材料的本构模型时必须考虑它的粘弹性。和等描述了横观各向同性材料在非线性应力或变形区域材料的粘弹性本构方程。【提出了适合于各向异性材料的三维有限变形粘弹性模型。和【对具有橡胶特征的材料粘弹性本构模型进行了较为系统的描述。法已经得到广泛的运用。除了法以外，驯等也提出了其它的恒温模型。、和第章绪论最近、和等描述了腱、韧带等纤维增强结构的非线性粘弹性行为。”】也考虑了纤维增强复合材料粘性。在有限变形条件下，【采用本构模型描述了纤维增强复合材料的粘弹性行为。其假定各向异性自由能函数可以模拟纤维增强复合材料。这种方法考虑

12、了纤维和基体的相互作用及两种纤维和基体材料等材料的粘弹性能，但只考虑材料的等温粘弹性。在等温和等容条件下，）采用著名的超弹性应变能方程和非线性粘性方程，提出了各向异性材料的大变形粘弹性本构模型。以上研究都是从宏观或细观的角度研究了帘线橡胶复合材料的本构理论，由于帘线结构的复杂性，采用细观方法研究其本构方程显得很困难，尤其是相关参数的确定更加不容易。本文将在考虑材料大变形和粘弹性的基础上，忽略了帘线橡胶复合材料的结构，通过将自由能函数引入到橡胶复合材料的本构研究中，提出了建立帘线橡胶复合材料宏观本构模型的新方法。橡胶复合材料的失效模式和准则橡胶复合材料是种特殊的复合材料，在研究其失效模式和准则的

13、时候很有必要了解一般复合材料的失效形式和判据。科技工作者已经对一般复合材料失效模式和准则进行了大量的研究。和研究了±。碳环氧复合材料管的宏观和微观失效机理；和”通过碳环氧管（±）试验发现，如果层合结构的失效模式是纤维控制，则基体裂纹并不影响纤维的失效应变；和“】的研究表明：轴向应力和环形失效应力有很大关系，增加轴向应力可以提高层板的环形失效强度；和，对碳环氧管（。）进行了研究，提出了最大纤维应变失效准则、渐进失效模型和非线性的基体剪切模型，在多重应力条件下，检验了基体失效；和研究了编织碳环氧复合材料的强度和失效；和】等分析了轴向周向应力比、加载速率对玻璃纤维环氧复合材料管的

14、应力一应变曲线、损伤积累和失效模式的影响，建立了双向应力和应变失效曲线：，和，等【】对碳纤维环氧复合材料管断裂现象和失效机理进行了分析。根据双向载荷比的不同，提出了三种失效模式及其相应的失效机理，通过显微方法对断面进行了观测，研究了微观失效与双向载荷比的关系。试验结果表明，当双向载荷比较小时，影响材料性能的因素主要是基体的强度、结合部位的粘接强度和纤维与基体的均匀分布，当双向载荷比较大时，纤维强度是主要第章绪论因素。研究表明，双向拉伸载荷比对一般复合材料的失效模式、失效强度、断裂应变和应力一应变关系有很大的影响。预测一般复合材料单向层板破坏的失效理论是非常丰富的，学者们提出了很多失效准则【。”

15、。其中强度理论最多，它主要包括简单的应力准则如早期的提出的最大应力理论、以适用于金属材料的屈服准则、适用于各向异性材料的准则、以张量形式表达的准则和对不同的失效模式进行区分的和准则。其中以张量形式表达的强度失效准则预测结果更准确，且表达方式不随坐标系的变化而改变，因而使用更方便，更加容易被人们所接受。但它却没有考虑复合材料失效模式。以不变量或能量的方法来建立复合材料的强度失效准则也是很有效的方法，这方面的研究不是很多，还需要不断的完善和发展。帘线橡胶复合材料的失效机理是很复杂的。在复合材料加工过程中产生的瑕疵、过载和热力学性能下降使橡胶材料常常发生失效。一些学者采用钢丝尼龙增强的模型系统，研究

16、了帘线橡胶复合材料在单轴拉伸条件下失效模式。和在单轴拉伸载荷条件下，研究了双层帘线橡胶层合板疲劳断裂，第一次观察到了纤维一基体界面的脱粘失效。等【在研究尼龙增强复合材料在单向循环载荷条件下力学性能时，发现帘线一基体界面脱粘存在临界载荷，当循环拉伸应力超过这临界载荷时，帘线一基体的界面脱粘失效模式发展成为基体的开裂和分层，最后导致整个复合材料的失效；、和等也观察和分析了材料的这些断裂失效机理。由于单向层板是层合板的基本构造单元，为了建立复合材料层合板的失效准则和失效机理，对单层板的研究显得格外的重要，人们已经对复合材料单向层板的失效准则提出了很多不同的模型（，。对纤维增强塑料的双向强度理论进行了

17、全面细致的描述。，和，等对预测纤维增强聚合物复合材料板的现有失效理论进行了全面的比较。对帘线橡胶复合材料来说，有关失效的研究虽然很多，但都集中在材料的疲劳分析，在分析中也没有给出失效判据。由于在复杂载荷条件下，对帘线橡胶复合材料力学性能研究的很不充分，制约了对材料进行深入的失效研究，有关帘线橡胶复合材料失效研究发展也非常缓慢，为了准确的分析帘线橡胶复合材料的失效，通过研究帘线橡胶复合材料的基本结构一单层板的断裂失效行为，提出能预测帘线橡胶材料失效的判据是十分必要的。因此对帘线橡胶复合材料的失效研究还需要进一步深入。筇章绪论压电材料断裂特性的理论和实验研究压电材料是一种能在电能和机械能之间进行转

18、换的功能性材料。随着年锆钛酸铅（即）的实用化运用，使压电材料的应用出现了一个崭新的局面。常用的压电陶瓷有，丁和等。智能结构的稳定性近来越来越受关注，而铁电材料的裂纹生长就是一个稳定性和可靠性相关的话题。压电材料的断裂力学研究包含裂纹压电体在机电载荷作用下的损伤机理和破坏规律，建立裂纹的断裂准则和寻求材料的增韧的途径，为压电元件的可靠性分析和优化设计提供理论依据。和】首先运用本征函数展开法分析了横观各向同性压电体中的三微半无限长裂纹问题，发现了裂纹尖端的应力场和电位移场具有的奇异性：”使用函数法研究了无限大各向异性压电介质中的扁平椭圆裂纹问题，也发现了纹尖端的应力场和电位移场具有的奇异性，而且只

19、有垂直于裂纹面的电场强度才对应力强度因子有影响。裂纹压电体的裂纹尖端场和断裂参数的计算是压电材料断裂力学的基本研究内容，首次基于压电材料断裂的路径无关积分建立了电焓能量释放率或裂纹扩展力的计算公式，他的研究结果表明，对于给定的机械载荷（应力或应变），裂纹是否扩展将取决于电载荷的大小和类型（电位移和电场强度），仅有电场作用时，裂纹扩展力为负值，可以通过调节力与电载荷的相对值控制裂纹的扩展。等叫应用变换和奇异积分方程技术求解了条形域中的压电反平面裂纹问题，计算的结果表明，应力强度因子和能量释放率随条宽和裂纹长比值的减小而增大。】应用方法和位错密度法研究了一般各向异性压电介质的二维裂纹问题，横观各向

20、同性压电材料的计算表明，电载荷总是降低能量释放率即抑制裂纹的扩展，按最大拉应力破坏准则，某些力电载荷下裂纹可能出现偏析或分叉。和根据材料的断裂体现为一机械的物理背景，提出了以机械应变能释放率作为裂纹失稳判据的断裂准则，分析了电载对应变能释放率的影响，分析的结果表明，应变能释放率为电载荷的线性函数，增加或降低取决于电载荷的方向。年，”】从线性压电本构关系出发进行了断裂力学分析；】针对线性压电材料应用了能量函数得到本构关系，并利用能量平衡得到了微裂纹扩展能量；】将线弹性断裂力学的定义推广到压电材料中，研究了第章绪论电场对压电材料断裂强度的影响，证实了在无限大电场作用下可能止裂的现实；等，求解了条形

21、压电材料的反平面裂纹问题，发现应力强度因子和能量释放率随条宽和裂纹长度之比的减少而增大。等【剐基于经典的的塑性屈服模型，考虑到由于压电材料的电力耦合结果而产生的电致屈服，分析并得到了沿不同初始极化方向上加载情况的积分；和进一步考虑了铁电材料的这种电致断裂强度的非线性；】则将的能量平衡方程推广应用到铁电、介电陶瓷的破坏失效问题上，运用模型对晶粒结合完好情况下的破坏失效问题进行了分析，给出了破坏阻力；最近，和”“”埽艮据实验观察的结果，考虑到畴极化转动与裂纹的相互作用，采用权函数的方法给出了由于畴变对外载产生的屏蔽效应，并分析了表观断裂韧性与电畴取向以及外加电场和力场的关系，进而分析了铁电材料的电

22、致疲劳。和【”提出了能量密度因子的概念，理论预测结果表明：正电场有助于裂纹的扩展，负电场却阻止裂纹的扩展。对铁电陶瓷材料的强度和断裂的首次实验研究可以追溯到和”，。和引。和采用双扭转方法研究了电场对材料中次临界裂纹生长的影响，他们发现在未极化的试件中，电场增加了垂直于电场的裂纹的积累。而在极化试件中却没有发现电场是否促进还是阻止裂纹的扩展。【对包括传导和绝缘裂纹效应的断裂和介电破坏过程进行了论述。最近等，“】对电场对裂纹生长的影响进行了系统的实验研究。和采用预制的裂纹研究了电场引起的疲劳裂纹生长；等【】对循环载荷下的断裂行为进行了讨论。在以前的工作中，在力电耦合载荷的作用下，铁电材料的断裂强度

23、常作为电场的函数。为了研究电场对断裂行为的影响，人们对裂纹方向垂直于极化方向的多种陶瓷材料进行了实验研究。“】根据总能量释放率准则研究了电场对裂纹的影响，结果表明电场总是阻止裂纹的生长；采用最大周向应力准则，和¨的研究表明在正电场条件下的裂纹增长比在负电场条件下的裂纹增长要小。和对丁一试件进行了刻痕实验，正电场降低了材料的表面断裂韧性，负电场则使材料的表面断裂韧性增加。和”“】采用颈向拉伸法和三点弯曲法对压电陶瓷材料的类型裂纹和混合型裂纹进行了断裂实验研究，测量了在不同电场作用下的材料破坏载荷，发现随着正电场的增加，材料的破坏强度下降，而第章绪论随负电场的增加，破坏载荷却增加，所得的

24、结果和和¨”的研究结果是一致的。而和采用维氏压痕方法，研究了在力场和电场作用下，软的压电陶瓷材料。的力学特性。研究发现，正电场抑制裂纹的扩展，而负电场促进裂纹的扩展。等【揭。”】利用维氏压痕法对铁电材料的研究表明，铁电材料的断裂韧性具有各向异性，材料断裂韧性沿极化方向比垂直于极化方向的要高。等¨”】的研究表明，铁电材料的破坏经历了放电、微裂纹的产生与宏观破坏等三个过程。实验表明，铁电材料的断裂行为呈各向异性并随外加场变化的主要原因是由于铁电畴在外场作用下发生极化转动（包括新畴的成核和畴壁的运动扩展）引起的。由于在外场的作用下，发生畴极化转动将引起畴附近的局部区域应力分布不均

25、匀，而导致在某些方向上呈拉应力、而在另一些方向上呈压应哦力，因而将促使裂纹扩展或闭合，产生的微裂纹可能会沿一定的方向扩展。和三点弯曲实验发现的三点弯曲强度随电场绝对值的增加面下降，他们认为这是由于压电和畴转换变形产生的晶粒间的内在应力所引起的；等【通过试验证实了电疲劳是由于外电场引起内部的微裂纹的萌生、扩展，最后导致铁电材料的电疲劳，从而是材料失效破坏。和”采用三点弯曲实验对试件的研究却发现无论是正电场还是负电场，铁电材料的破坏强度都下降，而且正电场作用时下降明显。和负电场相比，正电场使更多的试件部分在低处断裂，即：电场的存在总能阻碍裂纹的扩展。为了解释电场对铁电陶瓷断裂强度的影响，人们提出了

26、很多理论模型。和”】采用裂纹尖端的带饱和模型研究了电非线性对断裂行为的影响，结果表明压电材料的断裂强度线性依赖于所加的电场；等【基于经典的的塑性屈服模型，考虑到由于压电材料的电力耦合结果而产生的电致屈服，分析并得到了沿不同初始极化方向上加载情况的积分；和【”进步考虑了铁电材料的这种电致断裂强度的非线性；”则将的能量平衡方程推广应用到铁电、介电陶瓷的破坏失效问题上，运用模型对晶粒结合完好情况下的破坏失效问题进行了分析，给出了破坏阻力；和【叭研究了在力电耦合载荷的作用下铁电材料中的转换硬化现象，它们通过裂纹尖端的畴转换引起的裂纹尖端应力因子的变化来估算材料强度的变化。结果发现随着电场的变化，断裂强

27、度会呈现对称性变化；和眩】根据畴转换模型在力电耦台载荷的作用下精确地评估了各向异性铁电体的强度变化；和】根据实第章绪论验观察的结果，考虑到畴极化转动与裂纹的相互作用，采用权函数的方法给出了由于畴变对外载产生的屏蔽效应，并分析了表观断裂韧性与电畴取向以及外加电场和力场的关系，进而分析了铁电材料的电致疲劳；采用能量释放率和畴转换模型可以对和】的压痕断裂结果进行解释。上面的每一个模型都可以对特定的铁电材料在实验中观察到的断裂行为给出理论上的解释。从以上的工作可以看出，对于每一种材料，电场对断裂强度的影响都是不同的，如果不考虑电场的方向，对不同的陶瓷材料，电场可能会增加或降低材料的断裂强度，这表明在电

28、场作用下，材料的断裂强度的变化可能是由材料的性能所控制的。压电材料的失效研究最近智能压电陶瓷等多功能材料越来越受到人们的关注，这些智能材料制成的结构元件已广泛用于传感和控制等领域，由于这些智能陶瓷在应用过程中可能要承受静态、动态或循环和力载和电载荷的作用，而这些智能材料除了具备基本的功能特征以外，还要求材料具有较高的力学性能，因此出现了智能陶瓷材料的强度和断裂等问题，由于这些压电陶瓷很脆，强度较低，而控制器和传感器的安全性可靠性要求都很高，因此研究智能压电陶瓷材料的失效规律很有必要。有关压电材料的断裂问题。科研工作者已经提出了很多压电材料的断裂准则。多年前，等【”通过引入电能量释放率和场强度因

29、子，将能量释放率和应力强度因子等断裂力学概念推广应用到压电陶瓷领域；和”通过试件和弯曲板对陶瓷的断裂准则进行了研究，讨论了应力强度因子、总能量释放率和应变能释放率作为断裂准则的差异，他们认为，断裂是个力学过程，提出仅仅采用能量中的机械应变能量释放率作为失效判据，实验结果表明机械应变能释放率（）可以做为压电失效准则的失效参数，而应力强度因子和总能量释放率在预测非传导裂纹的失效是不合适的；等【”以电屈服裂纹的能量释放率为基础提出了新的失效准则，然而在这模型中却没有考虑畴转换的影响。等考虑畴转换损耗采用能量平衡法提出了新的失效准则，但他们仅仅提出了这种方法，结果和等”的结果是一样的。和提出了能量密度

30、因子的概念。它认为当的时候，裂纹开始扩展：”提出了采用局部应变能密度函数来作为预测压电材料失效的新断裂理论，这个理论不需要计算能量释放率，可以处理各种类型的裂纹问题；和第章绪论等¨”每这个理论进行了推广，对在平面电和力载荷条件下的有限压电固体中的椭圆形空穴或线性裂纹进行了分析，裂纹的起始断裂方向和极限载荷都可以通过总能量密度因子来预测。等【”根据实验中测得的的材料断裂曲线，提出了在力电耦和载荷作用下，导电裂纹的断裂准则。对导电裂纹，断裂曲线是应力强度因子和电场强度因子的函数。和【”等根据弹性体中的模态理论，提出了全新的适合于压电介质的模态能理论，在该理论中考虑了各种模态能对材料破坏的

31、贡献，认为当所有独立的模态应变能中有一个达到其自身的临界值时，材料将发生破坏失效，即模态理论：并假设各阶模态应变能的线性组合构成材料某一点的整体模念能量，当压电体的破坏和铁电体的畴变是不同模态变形能的线性组合达到临界值时发生的，即模态理论：他们根据压电材料一断裂实验结果对提出的理论进行了验证，得到了比较好的结果，但由于试验数据较少，该理论还有待于进一步的验证。迄今为止，有关正确的断裂准则还没有一个最后的结果，因为在以电场作为函数分析在实验中得到的断裂强度的时候，理论和实验的结果总存在差异或相反的趋势。还需要傲进步的研究工作。由于力电耦合效应，铁电材料的分析是非常复杂的，因此发展能分析系统宏观耦

32、合效应的数值方法，模拟结构和材料的耦合效应是非常有必要的。和”】建立了热，电，磁和弹性材料的变分理论；和，”】提出了分析电收缩装置中电收缩变形的有限元方法；和】应用有限元软件包分析了压电陶瓷中的裂纹扩展。和【冽引用基本的平衡方程提出了可用于有限元分析的电一力学势能函数，并且还考虑了去极化对铁电材料的影响。文献”川】采用四节点和八节点压电单元处理力电裂纹问题，取得了比较好大效果。主要研究内容本文在以前试验研究的基础上，利用以前的试验结果，对橡胶复合材料的大变形粘弹性本构方程和失效规律进行了更深入地研究；同时针对智能结构中强度和断裂等问题，研究了在力电耦合场作用下，智能陶瓷材料的破坏规律。因此本文

33、的内容主要包括以下几个部分：（）帘线橡胶复合材料的本构模型的建立。针对现有本构模型存在一些问第】章绪论题，考虑到帘线橡胶复合材料的大变形和粘弹性等特性，本文将通过宏观的方法能量法，建立一个适合于的帘线橡胶复合材料的大变形粘弹性本构模型，为从宏观上研究大变形粘弹性橡胶复合材料本构模型提供了一种新途径。（）帘线橡胶复合材料双向拉一拉失效的研究。为了较准确地设计帘线橡胶复合材料的结构，本章将在深刻理解单层复合材料的应力状态、帘线的应变和角度变化，以及断裂行为的基础上，建立适合于帘线橡胶复合材料的拉伸失效预报模型。由于条件的限制，本章仅仅对帘线橡胶复合材料的双向拉伸性能和失效机理进行深入地研究，并建立

34、相应的帘线橡胶复合材料双向拉伸失效的拉一拉失效准则，其他条件下的失效研究还有待进一步展开。（）为了研究在力一电耦合条件下，智能陶瓷材料的破坏规律，建立了新的力一电耦合系统，为研究压电陶瓷材料的断裂破坏规律奠定了基础。（）通过实验的方法，考虑了压电智能材料中的力一电耦合效应，研究了电场对智能材料破坏的影响；采用有限元分析的方法，分析了压电陶瓷破坏时缺口尖端的应力和电场分布：对匡等】提出的模态应变能失效理论进行了验证。第章帘线橡胶复合材料双向粘弹性能的研究：引言帘线橡胶复合材料的运用十分广泛，其典型的构件如轮胎，软管等橡胶复合材料结构在工程运用中常承受复杂载荷的作用，在轮胎等橡胶复合材料结构的设计

35、、分析和计算过程中需要大量的力学参数，由于橡胶复合材料双向试验的复杂性，以前人们只能采用橡胶复合材料的单向力学性能来预测轮胎等结构的力学性能。而非柔性复合材料的双向试验结果表明”】，双向载荷条件下复合材料的力学性能与其单向力学性能有明显的差异，用单向力学性能参数预测复合材料结构的力学性能势必会产生教大的误差，对于帘线橡胶复合材料，这一差异会更加突出当。橡胶复合材料是由增强材料和韧性橡胶基体组成，它在加载和卸载过程中显示出与时间和温度相关的力学特性，即使在室温条件下也可以观察到显著的松弛和蠕交现象。为了确切地表示和描述不同材料随时间、温度等因素而发生变化的力学性能，必须采用理论和试验相结合的研究

36、方法，通过数学的概念、经过分析和数学处理而表示成一定形式的关系式或方程，即粘弹性本构关系。因此为了优化设计轮胎等橡胶复合材料的结构，研究在复杂载荷条件下，橡胶复合材料的双向蠕变和松弛规律就显得非常迫切。本章将以尼龙帘线橡胶复合材料为代表，对橡胶复合材料的双向蠕交和松弛等力学特性进行了深入地研究。并基于双向松弛试验研究得到的橡胶复合材料粘弹性力学行为，提出适合描述其在双向载荷条件下力学响应的本构模型。为了表述的方便，在此定义了纵向和横向的概念，纵向指的是纤维方向；横向指的是垂直于纤维方向。双向蠕变和松弛规律的研究由于帘线橡胶复合材料十字形双向拉伸试件具有结构简单，容易制造和价格低廉，可以很方便地

37、旋加所需的双向载荷等优点，因此，在研究橡胶复合材料的双向蠕变和松弛等力学特性时，选择了帘线橡胶复合材料的十字形试件。试件的成型采用热压成型方法。成型温度”，成型压力，成型时间分钟。为了防止试件在硫化成型时帘线的流动，在成型时，试件都施加了公斤的预张力。尼龙帘线橡胶复合材料的十字形试件的几何尺寸如图一所示。其厚度是，帘线的直径，试验区域。图帘线橡胶复合材料十字型试件相关的复合材料板的刚度参数为：，”。在帘线橡胶复合材料板的双向蠕变和松弛试验中，数据的采集是由同步驱动器来完成的。整个数据采集系统的工作过程如图所示。图双向拉伸试验中数据的采集和处理系统试验时，两个载荷传感器和两个位移传感器将试验中每

38、个时刻的数据都实时地传送给同步驱动器，由它来完成双向载荷、双向变形以及载荷第章窜线，檬骏复台材料双向粘弹性能的研究和变形的同步采集。试验时两路位移信号和载荷信号通过交换电路变成士的电压信号后同时送入同步驱动器，同步后的信号经采集卡以数据文件的形式进入计算机，在计算机中经“载荷一电压转换系数”程序将电信号转换为载荷数据文件及变形数据文件。整个数据采集系统的工作过程如图所示。双向蠕变规律的研究双向蠕变试验是在室温下进行，为了能比较帘线橡胶复合材料的双向蠕变性能与单向蠕变性能之间的差异，分别进行了单向蠕变试验和双向蠕变试验。橡胶复合材料的单向蠕变试验曲线如图所示。（）纵向图尼龙，橡胶复合材料的单向蠕

39、变规律、横向其中纵向单向蠕交时的恒载荷为、；横向单向蠕变时的恒载荷为、。其中纵向指的是纤维方向，横向是垂直于纤维方向。从图可以发现，在单向蠕变试验中，随着载荷水平的提高，尼龙一帘线橡胶复合材料纵向（）和横向（）的应变也随之提高：在各种应力水平下，蠕变趋势是相同的，在恒定应力作用下，纵向应变及横向应变都随时间不断增加，这说明尼龙帘线橡胶复合材料是与时间相关的材料，即具有粘弹性，是一种典型的粘弹性复合材料。在对尼龙帘线橡胶复合材料的双向蠕变实验中选择了几组纵向恒载荷（、）和横向恒载荷（、）来研究尼龙一帘线橡胶复合材料的双向蠕变规律。盯图尼龙橡胶复合材料的纵向蠕变性能（）盯图尼龙艨胶复合材料的横向蠕

40、变行为图表示横向载荷（、）对材料纵向（、）蠕变性能的影响；图表示纵向载荷（、）对材料横向（、）蠕变性能的影响。由图和图可以发现，帘线橡胶复合材料在双向载荷作用下，也表现出明显的蠕变特性；对尼龙帘线橡胶复台材料来说，双向蠕变的应变与两个方向的应力都有关系。当纵向载荷保持恒定时，随着横向载荷水平的提高，级向应变有所减小。这是由于试验中选择的级向载荷远大于横向载荷，因此纵向应变对横向载荷的变化并不敏感，见图，即对不同的横向载荷，纵向应变变化范围并不大；如果选择的纵向和横向载荷很接近的话，则，横向载荷对纵向的蠕变影响将会很大。当横向载荷保持恒定时，随着纵向载荷水平的提高，横向应变相应减小，见图。由于选

41、择的橡胶复合材料的纵向载荷远高于横向承载的载荷，因此，纵向载荷对横向应变影响较大，纵向载荷越高，横向应变就越小。从图（，）还可以看出：双向蠕变时的横向应变低于相应的单向蠕变的横向应变，这是由于纵向载荷对横向蠕变抑制所引起的。双向松弛规律的研究恒定应变下的应力松弛试验也是验证聚合物基复合材料的粘弹性行为的一种重要试验手段。试验在室温条件下进行。纵向松弛选取四组应变，即、，横向选取五组应变，即、。帘线橡胶复合材料的纵向和横向单向松弛曲线如图所示。图尼龙橡胶橡胶茸合材料的单向松弛规律一第章帘线橡胶复合材料双向粘弹性能的研究从图中可以看出，在单向松弛试验中，随应变水平的提高，相应的应力也逐渐提高；当纵

42、向或横向应变恒定时，应力总是在开始阶段随时间显著减小，而后逐渐趋于平稳，趋于某一固定值，这也说明尼龙帘线橡胶复合材料是典型的粘弹性材料。由于橡胶复合材料常受到复杂的常应变载荷作用，因此研究材料的双向松弛规律就显得很有必要。本文通过双向松弛试验，揭示了尼龙帘线橡胶复合材料的双向松弛规律。不同应变水平下，尼龙帘线橡胶复合材料的双向松弛性能见图至图所示。图时橡胶复合材料的松弛性能图。时橡胶复合材料的松弛性能第章帘线，橡胶复合材料双向粘弹性能的研究仁】图时橡胶复合材料的松弛性能（）（）图时橡胶复合材料的松弛性能（）（图：时橡胶复合材料的松弛性能第章帘线橡胶复合材料双向粘弹性能的研究暑皇盥塑（）（图占时

43、橡胶复合材料的松弛陛能（）（）霉一一机竺忡竺：嚣；篙享！戮一曲。鸺图：时橡胶复合材料的松弛性能（）图：时橡胶复合材料的松弛性能第章帘线增胶复台材料皿向粘弹性能的研究图。：时橡胶复合材料的松弛性能从图至图中可以看出，帘线橡胶复合材料在双向载荷作用下，也表现出明显的松弛特性。在双向拉伸条件下，橡胶复合材料的松弛时的应力水平和纵、横向的应变水平有一定的关系。对相同的横向应变，其横向应力随纵向应变水平的提高而有明显增大。这是由于对相同的横向应变，纵向应变越大，相应的纵向载荷越大，而纵向载荷由使横向应变减小的趋势，横向应变若要保持不变，横向力就一定会增大。因此纵向应变越大，纵向力对横向的影响就越大，横向应力就越高。而对相同的纵向应变，纵向应力也随横向应变水平的提高而相应增大，但由于横向应变所对应的横向力和纵向力相比较小，对纵向力学性能的影响也很有限。当纵向应变很小的时候（如），横向变形对纵向应力的影响较大，这是由于横向的拉伸载荷和纵向应力相差很小，横