含界面损伤纳米增强复合材料纳细宏观结构演化的多尺度模拟

纳米技术已被公认为二十一世纪造福人类的关键技术之一，高效的数值模拟计算是研究纳米技术的有力手段。本项目将纳米碳管与基体的界面分解为纳观层和细观层，分别用纳、细和宏观三个层次描述纳米增强复合材料的内部结构演化与力学性能的关系：以分子动力学和二级纳观层次的均质化理论为基础，得到反映原子结构特征的纳米碳管与基体特征胞元的有效力学性能；用等效连续概念将上述特征胞元简化为等效纤维，以包含等效纤维、聚合物基体、粘结与脱粘界面四相介质特征体积单元为研究对象，对位移及损伤进行双范围二次渐近均质化展开，从细观角度建立材料各向异性损伤本构模型；利用宏观连续损伤力学理论导出损伤演化方程，分析宏微观应力-应变变化规律；发展一套准确高效的多尺度有限元数值计算模型，探讨纳米碳管的排列方式、几何形状、体积比、界面损伤等因素对材料力学性能的影响，为改进材料的强度和刚度，合理设计、评估和开发纳米增强复合材料提供理论依据。