Multi-Scale Modelling of Composite Materials Systems pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:CRC Pr I Llc

作者:Beaumont, P.W.R. 编

出品人:

页数:506

译者:

出版时间:2005-9

价格:$ 350.24

装帧:HRD

isbn号码:9780849334740

丛书系列:

图书标签:

复合材料
多尺度建模
材料科学
计算力学
结构力学
数值模拟
工程材料
材料系统
力学性能
复合材料设计

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具体描述

Reviewing key research and its implications, "Multi-Scale Modeling of Composite Material Systems" covers modeling approaches ranging from the micron to the meter in scale, from the single fiber to complete composite structures. This book discusses a variety of material types from laminates and fiber-reinforced composites to monolithic and sandwich composites. It analyzes a range of stress types and stress responses, including fracture, impact, wear, cracking, and fatigue. The authors explore the strengths and weaknesses of each particular model, and discuss reinforcement alternatives via stitching and z-pinning. With contributions from a team of international experts, this is a valuable reference for professionals in the aerospace, automotive, and civil engineering industries.

先进复合材料的力学行为与结构应用本书深入探讨了结构工程领域中至关重要的先进复合材料系统，聚焦于理解其在多尺度尺度下的力学响应、失效机制以及在复杂结构中的实际应用。我们旨在为材料科学家、结构工程师以及从事复合材料研发和制造的专业人员提供一个全面且深入的技术参考。第一部分：复合材料的基础理论与微观结构表征本部分奠定了理解复合材料复杂性的理论基础，从微观尺度出发，逐步过渡到宏观行为的描述。第一章：复合材料的分类与基本概念本章首先界定了先进复合材料的范畴，包括纤维增强复合材料（FRP）、层状复合材料（Laminate）以及颗粒增强复合材料（Particulate Composites）。详细讨论了基体材料（聚合物、金属、陶瓷）与增强材料（碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、纳米填料）的特性及其相互作用。重点阐述了材料的本构关系，包括各向异性和正交异性材料的应力-应变关系，以及经典的混合律（Rule of Mixtures）及其局限性。第二章：界面粘合与微观应力分析复合材料的性能在很大程度上取决于纤维与基体之间的界面质量。本章深入分析了界面区域的物理和化学粘合机制。采用经典层合板理论（Classical Lamination Theory, CLT）的扩展，推导了在载荷作用下界面处的应力集中问题。引入了有限元方法（FEM）在微观尺度下对单元体（Representative Volume Element, RVE）的建模技术，用于预测界面剪切应力和局部失效的起始点。特别讨论了界面损伤的萌生与扩展，如脱粘（Debonding）的临界条件。第三章：纤维和基体的本构模型与损伤演化本章聚焦于组成复合材料的两种主要组分的本构描述。对于纤维，讨论了其高纵向模量和脆性断裂特性；对于基体，则涵盖了粘弹性、粘塑性以及热塑性/热固性材料的非线性行为。核心内容是损伤力学在复合材料中的应用，引入了连续介质损伤力学（Continuum Damage Mechanics, CDM）框架，描述了微裂纹的形成、扩展直至材料宏观性能退化。讨论了张量形式的损伤变量，并将其与能量耗散率相关联，以建立一套完整的损伤演化方程。第二部分：多尺度分析方法论本部分是全书的技术核心，系统阐述了如何通过不同尺度的模型耦合来准确预测整体结构的行为。第四章：细观尺度建模与有效性能的确定细观尺度（Micro-scale）研究关注纤维束、编织结构或颗粒在基体中的排布。本章详细介绍了数值模拟技术，特别是基于几何准确的RVE方法。讨论了如何通过周期性边界条件（Periodic Boundary Conditions）来模拟无限域中的局部行为。阐述了通过计算有效弹性常数（Effective Material Properties）的过程，包括如何将细观尺度的计算结果“传递”到更宏观的尺度进行分析。第五章：介观尺度：层合板的宏观化与结构分析介观尺度（Meso-scale）主要关注多层结构（如层压板）的整体响应。本章系统回顾了经典层合板理论（CLT）及其在考虑剪切变形的扩展理论（如First-order Shear Deformation Theory, FSDT；Higher-order Shear Deformation Theory, HSDT）中的应用。详细分析了层间应力（Interlaminar Stresses）的计算方法，特别是当材料边界条件复杂或厚度效应显著时的应力奇异性问题。引入了分层理论（Delamination Theory），并探讨了Jenkins-Zimmerman或Hashin准则在预测层间屈服中的应用。第六章：尺度耦合方法与多尺度数值策略本章是连接微观、细观和宏观尺度的桥梁。详细介绍了两种主要的尺度耦合策略：自上而下（Top-Down）和自下而上（Bottom-Up）。重点阐述了基于均匀化（Homogenization）技术的数值方法，如多尺度有限元法（Multi-scale Finite Element Method, MsFEM）。解释了如何通过迭代或嵌套的有限元分析，将低尺度的复杂本构信息传递给高尺度的结构分析模型，从而在保证计算效率的同时，捕捉到细微结构变化对整体性能的影响。第三部分：复杂载荷下的性能评估与结构失效分析本部分转向实际工程应用，关注复合材料结构在真实工作环境下的可靠性评估。第七章：疲劳与蠕变行为的建模复合材料的寿命预测是其工程应用的关键挑战。本章深入探讨了在循环载荷下的疲劳特性。讨论了S-N曲线的构建，并侧重于基于损伤演化的疲劳模型，如Paris-Erdogan方程的扩展形式，用于描述裂纹扩展速率。对于高温应用，详细分析了聚合物基复合材料的粘弹性蠕变行为，引入了时间-温度等效原理（Time-Temperature Superposition Principle）来加速长期性能预测。第八章：冲击与穿透动力学针对航空航天和防护结构对高应变率加载的响应，本章专门研究了复合材料在高速冲击下的行为。讨论了入射能量的吸收机制，包括冲击锥的形成、层间脱粘的快速扩展以及纤维的断裂。引入了非线性有限元程序（如LS-DYNA）中的显式动力学分析方法，并讨论了材料在极高应变率下的本构关系（如Johnson-Cook模型）的修正与应用。第九章：结构稳定性与后失效分析本章关注复合材料壳体和梁结构在屈曲和失稳问题中的特殊性。讨论了复合材料层合板的经典屈曲理论，并强调了初始缺陷（如制造过程中的孔隙或预应力）对临界屈曲载荷的敏感性。此外，深入探讨了结构在严重损伤（如大面积脱层或纤维断裂）后的残余强度评估方法，这对于设计安全裕度至关重要。第四部分：先进制造工艺对性能的影响本部分将理论模型与实际制造过程联系起来，探讨工艺参数如何固化材料的微观结构并最终决定宏观性能。第十章：先进制造工艺的缺陷表征详细分析了真空辅助树脂转移模塑（VARTM）、纤维缠绕和自动铺放（AFP）等先进制造工艺产生的常见缺陷，包括孔隙率（Porosity）、纤维体积含量不均和纤维折损。为这些缺陷建立了可量化的数学模型，并分析了它们作为初始损伤（Initial Flaws）如何降低材料的有效模量和强度，特别是对疲劳寿命的负面影响。第十一章：热效应与固化动力学在结构中的体现对于热固性树脂基复合材料，固化过程的温度历史决定了最终的交联密度和残余应力状态。本章应用反应动力学模型来模拟固化收缩和温度梯度导致的内应力累积。讨论了这些残余应力如何与外部载荷耦合，影响层合板的初始分层倾向以及热载荷下的结构稳定性。 --- 本书的最终目标是提供一个跨尺度的、整合了先进计算方法和实验验证的综合框架，以应对现代工程中复杂复合材料结构的设计、分析和优化挑战。读者将能够掌握从纤维尺度到整体结构层面的性能预测和可靠性评估工具。