項目名稱：    復合材料結構特性研究

推薦單位：    廣東省

項目簡介：    21世紀是復合材料世紀。近來，復合材料結構特性的研究一直是國際前沿熱點。本項目屬于工程力學和無機非金屬基復合材料科學領域，由劉人懷院士帶領學生和助手研究了復合材料宏觀和細觀層次中一系列應用基礎理論問題：

　　●復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；

　　●計及基體和增強相結構的復合材料細觀模型與分析；

　　●復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，系統建立了工程結構最重要六類板殼：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、穩定和振動問題解析解，給出了層合板殼結構粘彈性損傷本構模型，給出了球形和柱形夾雜問題的解析解，分析了一類復合材料局部熱彈性場，構造了多層壓電復合材料耦合電彈性場的三維精確解，發現了復合材料界面應力的非單調松弛現象，給出了復合材料界面斷裂的解，一些成果巳應用于橋梁工程,為復合材料學科發展和復合材料替代金屬材料作出貢獻，為飛行器、機械、交通等工程設計提供了重要指導。

共有論文165篇，著作4本，其中英文論著103篇，主要發表在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，在國際上產生重要影響，獲得"先驅性工作"等高度評價，被Phys. Rev. B, Int. J. Solid Strcuct,J.Sound.Vib.等57種國際權威等期刊、290多位學者引用，來自五大洲25個主要國家和地區：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。

主要發現點：  本項目由劉人懷院士帶領學生及助手完成，其成果的主要發現點為：

　　一、首次建立了復合材料層合旋轉扁殼以及板的幾何非線性剪切變形理論，以作者原創的修正迭代法和其它方法解析地求解了一系列工程結構中最典型的復合材料層合板殼靜動力學問題,圓柱殼、扁球殼、扁錐殼的非線性穩定和振動問題，矩形板、橢圓板、圓板的非線性彎曲問題和振動問題，獲得了相當精確的能直接用于工程剛度、強度、振動和穩定設計的非線性特征關系式、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力協調條件的復合材料層合板殼結構以及具有復合材料表層的夾層板殼結構的一般理論，并在此基礎上首次提出了含有弱化界面的多層復合材料板殼結構的力學模型。同時，首次建立了三種適用于層合板殼結構分析的粘彈性損傷本構模型，提出了具普遍意義的分析與求解復雜非線性動力學系統的一般方法，系統、深入地研究了具損傷粘彈性復合材料板殼的非線性振動、非線性動力響應、非線性動力穩定性及蠕變后屈曲問題及具損傷粘彈性層合板殼結構的動態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）。該發現點屬于工程力學、無機非金屬基復合材料學。

　　二、首次將微極彈性理論應用于復合材料細觀理論問題的研究，獲得了目前僅有的球形和柱形夾雜問題的兩個解析解，發現了不同于傳統概念的夾雜內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，揭示了一類復合材料局部熱彈性場的內在聯系以及宏觀熱彈性性能之間的精確對應關系。系統發展了由二維模型解直接構造多層壓電復合材料耦合電彈性場三維精確解的新方法。系統闡明了界面擴散和滑動對復合材料瞬態內應力松弛以及宏觀滯彈性行為的影響，首次發現復合材料界面應力的非單調松弛現象（成果見十篇代表作6,7,8,9，著作1,2，其他主要論文95-109）該發現點屬于工程力學、無機非金屬基復合材料學。

　　三、深入研究了具損傷及損傷演化復合材料板殼的非線性特性；深入研究了復合材料界面斷裂理論，得到了與4種非線性界面局部剪應力位移關系對應的應力、有效粘結長度的解析表達式。揭示了界面脫層傳播規律和破壞機理。研究結果對于深入理解復合材料增強結構開裂后的界面粘結破壞，更好地理解粘結接頭的力學特性進而發展有效的復合材料錨固體系十分有益。并將研究成果成功應用到廣東省的多座橋梁加固中，具有重要的經濟和社會意義（成果見十篇代表作10，著作3,4，其他主要論文110－155）。該發現點屬于工程力學、無機非金屬基復合材料學。

主要完成人：  1.   劉人懷

劉人懷院士帶頭并全面負責開展復合材料結構特性研究，并領導學生和助手（傅衣銘、何陵輝、成振強、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現點中，以自己原創的修正迭代法和其他方法開創性地研究了復合材料層合板殼的非線性問題。同時，在第二和第三發現點上也做了貢獻，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構進行非線性靜、動力學分析的理論和方法；

2.建立了三種適用于層合板殼結構分析的粘彈性損傷本構模型；

3.首次研究了具損傷粘彈性層合板殼結構的動態分岔與混沌運動特性。

在第一和第三發現點上做出了貢獻，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，提出界面剪應力連續的多層復合材料結構模型；

2，提出復合材料集體均勻場方法；

3，合作獲得微極夾雜問題的解；

4，系統研究粘性界面對復合材料宏觀力學行為的影響。

在第一和第二發現點上做出了貢獻，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

1，建立具有損傷界面的復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問題的一系列三維解析解。

在第一和第二發現點上做出了貢獻，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

在本項目的第三發現點與他人合作發表23篇關于復合材料界面斷裂力學方面的論文，發現了界面裂紋的傳播規律和破壞機理，得到了承載力，有效粘結長度的解析表達式。相關成果成功地應用到了廣東省的多座橋梁加固中，具有重要的現實意義。同時，在第一發現點上也做了貢獻，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定性問題，中國科學，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).