近日，復合材料力學著名期刊“Composite Structures”（《復合材料結構》）在線發表了我校航空航天與力學學院教授黃爭鳴的最新代表性長文“Constitutive Relation, Deformation, Failure and Strength of Composites Reinforced with Continuous/Short Fibers or Particles”🧒🏿。

各向異性暨復合材料的損傷🔈、破壞和強度分析是固體力學面臨的一大挑戰🕵🏼。在該領域，黃爭鳴教授歷經20多年的研究，取得了系統性突破。創建了復合材料彈-塑性解析本構理論——橋聯模型，是唯一滿足內應力計算一致性的理論🏟。不滿足一致性，就須采用三維本構方程計算纖維和基體中的內應力🚣🏻‍♂️，相比二維方程的計算量至少增加一個數量級🔵。基體進入塑性後，只有橋聯模型的本構方程是解析式，其他模型依賴的Eshelby張量無顯式，數值積分須取200個以上高斯點方足夠精確（Comp. Mech., 7: 13-19, 1990）。眾多國外評估證實，橋聯模型精度高於其他模型（Int. J. Impact Engng., 2009, p. 899），也是“世界範圍破壞評估(WWFE)”參評精度最高的細觀力學理論（Comp. Sci. Tech., 64: 565, 2004），並且是唯一計算了纖維和基體中熱殘余應力的參評理論（Comp. Sci. Tech., 64: 450, 2004）🧔‍♀️。橋聯模型已成為世界復合材料力學界的著名理論🩴，得到了廣泛應用，國內外他人基於橋聯模型公開發表的研究論文已超過220篇。

復合材料除沿軸向的破壞可能源自纖維外👨🏿‍🚀，其它破壞一般都源自基體💔。因此💂🏽‍♀️，幾乎所有挑戰性問題皆因無法準確預測基體破壞所致👩🏿‍💻，關鍵是現有理論只能求得基體均值應力🧕🏽，而預報復合材料性能必須基於真實應力。黃爭鳴創建了基體真實內應力理論。他還首次將復合材料的破壞定義為強度型和損傷型，指明了損傷型破壞主要有三類，即纖維和基體界面開裂、層合板分層及層合板中的非致命破壞，其中，非致命破壞包括纖維的偏折🧖‍♀️、基體的拉伸與基體的壓縮破壞，一舉解決了如何確定“損傷容限設計”中的損傷容限難題🧟‍♀️。

基體拉伸和壓縮破壞依據其破壞面上的外法向應力大於或小於0確定，黃爭鳴依據堅實的物理原理👦🏽，創建了普適的基體拉💁🏻、壓強度理論🦹🏽。他還徹底解決了任意載荷下纖維和基體界面何時開裂這一難題，除了纖維和基體性能外，只需提供一個復合材料橫向拉伸強度即可🖐。

航空界往往視復合材料為脆性材料，因其軸向和橫向拉伸直至破壞皆為線性的，但無法解釋為何剪切非線性變形卻異常顯著。黃爭鳴通過研究揭示纖維和基體界面開裂後的相對滑移是剪切非線性變形的主因，其次是基體塑性和真實內應力影響。

針對為什麽從T300到T1100，碳纖維的強度大幅提升，但復合材料沿纖維的壓縮強度卻幾乎不變？黃爭鳴揭示🏋🏽，當纖維強度足夠高後🎙📃，纖維偏折導致軸向壓縮下基體先發生剪切破壞👩🏼‍🏭。因此，進一步提升纖維強度無助於改善復合材料軸向壓縮強度，只有通過減少纖維偏心排列🤌🏿、提高基體剪切強度方可改進🧎‍♀️‍➡️🧑‍🚒。

層合板分層是復合材料最為常見的破壞形式，目前預測分層存在兩大難題🛁：一是幾乎每個加載步都須迭代，計算量極為龐大🔎，工程中無法用；二是有些輸入數據的確定甚至沒有實驗標準可依。黃爭鳴建立的分層萌生與擴展分析方法無需任何迭代，除了纖維和基體性能，只需提供單層板的臨界I型和II型斷裂韌性即可。

黃爭鳴教授在文章中的理論分析☃️，不僅將復合材料的輸入數據降到最低，而且這些數據皆可依據現有實驗標準預先獨立測定。這對復合材料的工程應用具有重要意義。

相關文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113279