項目名稱：    復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特性研究

推薦單位：    廣東省

項目簡介：    21世紀(jì)是復(fù)合材料世紀(jì)。近來，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特性的研究一直是國際前沿?zé)狳c。本項目屬于工程力學(xué)和無機(jī)非金屬基復(fù)合材料科學(xué)領(lǐng)域，由劉人懷院士帶領(lǐng)學(xué)生和助手研究了復(fù)合材料宏觀和細(xì)觀層次中一系列應(yīng)用基礎(chǔ)理論問題：

　　●復(fù)合材料層合板殼線性與非線性理論分析以及層合板殼粘彈性理論分析；

　　●計及基體和增強(qiáng)相結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料細(xì)觀模型與分析；

　　●復(fù)合材料界面斷裂及損傷理論研究。

　　上述理論大多是國際首次提出，系統(tǒng)建立了工程結(jié)構(gòu)最重要六類板殼：層合圓板、矩形板、橢圓板、扁球殼、圓柱殼和扁錐殼的非線性理論，給出了計及剪切變形的彎曲、穩(wěn)定和振動問題解析解，給出了層合板殼結(jié)構(gòu)粘彈性損傷本構(gòu)模型，給出了球形和柱形夾雜問題的解析解，分析了一類復(fù)合材料局部熱彈性場，構(gòu)造了多層壓電復(fù)合材料耦合電彈性場的三維精確解，發(fā)現(xiàn)了復(fù)合材料界面應(yīng)力的非單調(diào)松弛現(xiàn)象，給出了復(fù)合材料界面斷裂的解，一些成果巳應(yīng)用于橋梁工程,為復(fù)合材料學(xué)科發(fā)展和復(fù)合材料替代金屬材料作出貢獻(xiàn)，為飛行器、機(jī)械、交通等工程設(shè)計提供了重要指導(dǎo)。

共有論文165篇，著作4本，其中英文論著103篇，主要發(fā)表在Int. J. Non-Linear Mech., Int. J. Solids Struct.，Int. J. Eng. Sci., AIAA J., Compos. Sci. Technol., J. Appl. Mech.等國際頂尖權(quán)威雜志。SCI收錄73篇，EI收錄88篇，SCI他人正面引用476篇次，在國際上產(chǎn)生重要影響，獲得"先驅(qū)性工作"等高度評價，被Phys. Rev. B, Int. J. Solid Strcuct,J.Sound.Vib.等57種國際權(quán)威等期刊、290多位學(xué)者引用，來自五大洲25個主要國家和地區(qū)：美、加、墨、英、法、德、俄、意、比、荷、瑞、奧、烏、澳、摩、日、印、韓、以、新、土、馬、臺、港等,包括國際權(quán)威：美國Reddy, Batra,Tzou,Sharma, Librescu；英國Edwards,Williams；加拿大Shah；德國Becker, Gao, Schmauder； 法國Touratier；意大利Di Sciuva，以色列Benveniste和印度Dumil等。

主要發(fā)現(xiàn)點：  本項目由劉人懷院士帶領(lǐng)學(xué)生及助手完成，其成果的主要發(fā)現(xiàn)點為：

　　一、首次建立了復(fù)合材料層合旋轉(zhuǎn)扁殼以及板的幾何非線性剪切變形理論，以作者原創(chuàng)的修正迭代法和其它方法解析地求解了一系列工程結(jié)構(gòu)中最典型的復(fù)合材料層合板殼靜動力學(xué)問題,圓柱殼、扁球殼、扁錐殼的非線性穩(wěn)定和振動問題，矩形板、橢圓板、圓板的非線性彎曲問題和振動問題，獲得了相當(dāng)精確的能直接用于工程剛度、強(qiáng)度、振動和穩(wěn)定設(shè)計的非線性特征關(guān)系式、幅頻公式和臨界荷載公式。首次建立了可以考慮表面和層間應(yīng)力協(xié)調(diào)條件的復(fù)合材料層合板殼結(jié)構(gòu)以及具有復(fù)合材料表層的夾層板殼結(jié)構(gòu)的一般理論，并在此基礎(chǔ)上首次提出了含有弱化界面的多層復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型。同時，首次建立了三種適用于層合板殼結(jié)構(gòu)分析的粘彈性損傷本構(gòu)模型，提出了具普遍意義的分析與求解復(fù)雜非線性動力學(xué)系統(tǒng)的一般方法，系統(tǒng)、深入地研究了具損傷粘彈性復(fù)合材料板殼的非線性振動、非線性動力響應(yīng)、非線性動力穩(wěn)定性及蠕變后屈曲問題及具損傷粘彈性層合板殼結(jié)構(gòu)的動態(tài)分岔與混沌運動特性。（成果見十篇代表作1,2,3,4,5，著作1,2,3,4，其他主要論文1－94）。該發(fā)現(xiàn)點屬于工程力學(xué)、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料學(xué)。

　　二、首次將微極彈性理論應(yīng)用于復(fù)合材料細(xì)觀理論問題的研究，獲得了目前僅有的球形和柱形夾雜問題的兩個解析解，發(fā)現(xiàn)了不同于傳統(tǒng)概念的夾雜內(nèi)部彈性場尺寸依賴性和非均勻性。首次提出基體均勻場方法，揭示了一類復(fù)合材料局部熱彈性場的內(nèi)在聯(lián)系以及宏觀熱彈性性能之間的精確對應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)發(fā)展了由二維模型解直接構(gòu)造多層壓電復(fù)合材料耦合電彈性場三維精確解的新方法。系統(tǒng)闡明了界面擴(kuò)散和滑動對復(fù)合材料瞬態(tài)內(nèi)應(yīng)力松弛以及宏觀滯彈性行為的影響，首次發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料界面應(yīng)力的非單調(diào)松弛現(xiàn)象（成果見十篇代表作6,7,8,9，著作1,2，其他主要論文95-109）該發(fā)現(xiàn)點屬于工程力學(xué)、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料學(xué)。

　　三、深入研究了具損傷及損傷演化復(fù)合材料板殼的非線性特性；深入研究了復(fù)合材料界面斷裂理論，得到了與4種非線性界面局部剪應(yīng)力位移關(guān)系對應(yīng)的應(yīng)力、有效粘結(jié)長度的解析表達(dá)式。揭示了界面脫層傳播規(guī)律和破壞機(jī)理。研究結(jié)果對于深入理解復(fù)合材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)開裂后的界面粘結(jié)破壞，更好地理解粘結(jié)接頭的力學(xué)特性進(jìn)而發(fā)展有效的復(fù)合材料錨固體系十分有益。并將研究成果成功應(yīng)用到廣東省的多座橋梁加固中，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會意義（成果見十篇代表作10，著作3,4，其他主要論文110－155）。該發(fā)現(xiàn)點屬于工程力學(xué)、無機(jī)非金屬基復(fù)合材料學(xué)。

主要完成人：  1.   劉人懷

劉人懷院士帶頭并全面負(fù)責(zé)開展復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特性研究，并領(lǐng)導(dǎo)學(xué)生和助手（傅衣銘、何陵輝、成振強(qiáng)、袁鴻、王璠、王志偉、徐加初等）完成了這一課題。劉人懷院士特別是在第一發(fā)現(xiàn)點中，以自己原創(chuàng)的修正迭代法和其他方法開創(chuàng)性地研究了復(fù)合材料層合板殼的非線性問題。同時，在第二和第三發(fā)現(xiàn)點上也做了貢獻(xiàn)，代表作見第1、2、5篇論文，投入在該項目的工作量占本人工作量的60%。

2.   傅衣銘

1.建立了一套完整的對層合中厚板殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性靜、動力學(xué)分析的理論和方法；

2.建立了三種適用于層合板殼結(jié)構(gòu)分析的粘彈性損傷本構(gòu)模型；

3.首次研究了具損傷粘彈性層合板殼結(jié)構(gòu)的動態(tài)分岔與混沌運動特性。

在第一和第三發(fā)現(xiàn)點上做出了貢獻(xiàn)，代表作見第3篇論文，投入在該項目的工作量占本人工作量的70%。

3.   何陵輝

1，提出界面剪應(yīng)力連續(xù)的多層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型；

2，提出復(fù)合材料集體均勻場方法；

3，合作獲得微極夾雜問題的解；

4，系統(tǒng)研究粘性界面對復(fù)合材料宏觀力學(xué)行為的影響。

在第一和第二發(fā)現(xiàn)點上做出了貢獻(xiàn)，代表作見第4、9篇論文，投入在該項目的工作量占本人工作量的70%。

4.   成振強(qiáng)

1，建立具有損傷界面的復(fù)合材料層合板殼的線性和幾何非線性理論。

2，獲得球形和柱形夾雜的微極彈性理論解。

3，獲得壓電層合板殼力學(xué)問題的一系列三維解析解。

在第一和第二發(fā)現(xiàn)點上做出了貢獻(xiàn)，代表作見第6、7、8篇論文，投入在該項目的工作量占本人工作量的70%。

5.   袁鴻

在本項目的第三發(fā)現(xiàn)點與他人合作發(fā)表23篇關(guān)于復(fù)合材料界面斷裂力學(xué)方面的論文，發(fā)現(xiàn)了界面裂紋的傳播規(guī)律和破壞機(jī)理，得到了承載力，有效粘結(jié)長度的解析表達(dá)式。相關(guān)成果成功地應(yīng)用到了廣東省的多座橋梁加固中，具有重要的現(xiàn)實意義。同時，在第一發(fā)現(xiàn)點上也做了貢獻(xiàn)，代表作見第10篇論文，投入在該項目的工作量占本人工作量的70%。

10篇代表性論文：  1.   考慮橫向剪切的對稱層合圓柱正交異性扁球殼的非線性穩(wěn)定性問題，中國科學(xué)，A輯, 35(7), 742-751，英文論文見（Nonlinear stability of symmetrically laminated cylindrically orthotropic shallow spherical she

2.   A simple theory for non-linear bending of laminated composite rectangular plates including higher-order effects, International Journal of Non-Linear Mechanics 26(5), 537-545 .

3.   Multi-mode nonlinear vibration and postbucking of anti-symmetric imperfect angle-ply cylindrical thick panles. Int.J.Non-Linear Mechanics, 24(5),365~381.

4.   A linear theory of laminated shells accounting for continuity conditions of displacements and transverse shear stresses at layer interfaces. International Journal of Solids and Structures, 31(5), 613-

5.   Non-linear buckling of symmetrically laminated, cylindrically orthotropic, shallow, conical shells considering shear, International Journal of Non-Linear Mechanics, 31(1), 89-99.

6.   Micropolar elastic fields due to a spherical inclusion. International Journal of Engineering Science, 33(3), 389-397 .

7.   Theory of multilayered anisotropic plates with weakened interfaces, Journal of Applied mechanics-Transactions of the ASME, 63 (4), 1019-1026.

8.   Effect of interfacial imperfection on buckling and bending behavior of composite laminates ，AIAA Journal 34 (12): 2590-2595。

9.   Transient mechanical response of laminated elastic strips with viscous interfaces in cylindrical bending, Composites Science and Technology 63(6): 821-828(2003)

10.  Full-range behavior of FRP-to-concrete bonded joints. Engineering Structures, 26(5)：553-565(2004).