项目名称：    复合材料结构特性研究

推荐单位：    广东省

项目简介：    21世纪是复合材料世纪。近来，复合材料结构特性的研究一直是国际前沿热点。本项目属于工程力学和无机非金属基复合材料科学领域，由刘人怀院士带领学生和助手研究了复合材料宏观和细观层次中一系列应用基础理论问题：

　　●复合材料层合板壳线性与非线性理论分析以及层合板壳粘弹性理论分析；

　　●计及基体和增强相结构的复合材料细观模型与分析；

　　●复合材料界面断裂及损伤理论研究。

　　上述理论大多是国际首次提出，系统建立了工程结构最重要六类板壳：层合圆板、矩形板、椭圆板、扁球壳、圆柱壳和扁锥壳的非线性理论，给出了计及剪切变形的弯曲、稳定和振动问题解析解，给出了层合板壳结构粘弹性损伤本构模型，给出了球形和柱形夹杂问题的解析解，分析了一类复合材料局部热弹性场，构造了多层压电复合材料耦合电弹性场的三维精确解，发现了复合材料界面应力的非单调松弛现象，给出了复合材料界面断裂的解，一些成果巳应用于桥梁工程,为复合材料学科发展和复合材料替代金属材料作出贡献，为飞行器、机械、交通等工程设计提供了重要指导。

共有论文165篇，著作4本，其中英文论著103篇，主要发表在Int. J. Non-Linear Mech., Int. J. Solids Struct.，Int. J. Eng. Sci., AIAA J., Compos. Sci. Technol., J. Appl. Mech.等国际顶尖权威杂志。SCI收录73篇，EI收录88篇，SCI他人正面引用476篇次，在国际上产生重要影响，获得"先驱性工作"等高度评价，被Phys. Rev. B, Int. J. Solid Strcuct,J.Sound.Vib.等57种国际权威等期刊、290多位学者引用，来自五大洲25个主要国家和地区：美、加、墨、英、法、德、俄、意、比、荷、瑞、奥、乌、澳、摩、日、印、韩、以、新、土、马、台、港等,包括国际权威：美国Reddy, Batra,Tzou,Sharma, Librescu；英国Edwards,Williams；加拿大Shah；德国Becker, Gao, Schmauder； 法国Touratier；意大利Di Sciuva，以色列Benveniste和印度Dumil等。

主要发现点：  本项目由刘人怀院士带领学生及助手完成，其成果的主要发现点为：

　　一、首次建立了复合材料层合旋转扁壳以及板的几何非线性剪切变形理论，以作者原创的修正迭代法和其它方法解析地求解了一系列工程结构中最典型的复合材料层合板壳静动力学问题,圆柱壳、扁球壳、扁锥壳的非线性稳定和振动问题，矩形板、椭圆板、圆板的非线性弯曲问题和振动问题，获得了相当精确的能直接用于工程刚度、强度、振动和稳定设计的非线性特征关系式、幅频公式和临界荷载公式。首次建立了可以考虑表面和层间应力协调条件的复合材料层合板壳结构以及具有复合材料表层的夹层板壳结构的一般理论，并在此基础上首次提出了含有弱化界面的多层复合材料板壳结构的力学模型。同时，首次建立了三种适用于层合板壳结构分析的粘弹性损伤本构模型，提出了具普遍意义的分析与求解复杂非线性动力学系统的一般方法，系统、深入地研究了具损伤粘弹性复合材料板壳的非线性振动、非线性动力响应、非线性动力稳定性及蠕变后屈曲问题及具损伤粘弹性层合板壳结构的动态分岔与混沌运动特性。（成果见十篇代表作1,2,3,4,5，著作1,2,3,4，其他主要论文1－94）。该发现点属于工程力学、无机非金属基复合材料学。

　　二、首次将微极弹性理论应用于复合材料细观理论问题的研究，获得了目前仅有的球形和柱形夹杂问题的两个解析解，发现了不同于传统概念的夹杂内部弹性场尺寸依赖性和非均匀性。首次提出基体均匀场方法，揭示了一类复合材料局部热弹性场的内在联系以及宏观热弹性性能之间的精确对应关系。系统发展了由二维模型解直接构造多层压电复合材料耦合电弹性场三维精确解的新方法。系统阐明了界面扩散和滑动对复合材料瞬态内应力松弛以及宏观滞弹性行为的影响，首次发现复合材料界面应力的非单调松弛现象（成果见十篇代表作6,7,8,9，著作1,2，其他主要论文95-109）该发现点属于工程力学、无机非金属基复合材料学。

　　三、深入研究了具损伤及损伤演化复合材料板壳的非线性特性；深入研究了复合材料界面断裂理论，得到了与4种非线性界面局部剪应力位移关系对应的应力、有效粘结长度的解析表达式。揭示了界面脱层传播规律和破坏机理。研究结果对于深入理解复合材料增强结构开裂后的界面粘结破坏，更好地理解粘结接头的力学特性进而发展有效的复合材料锚固体系十分有益。并将研究成果成功应用到广东省的多座桥梁加固中，具有重要的经济和社会意义（成果见十篇代表作10，著作3,4，其他主要论文110－155）。该发现点属于工程力学、无机非金属基复合材料学。

主要完成人：  1.   刘人怀

刘人怀院士带头并全面负责开展复合材料结构特性研究，并领导学生和助手（傅衣铭、何陵辉、成振强、袁鸿、王璠、王志伟、徐加初等）完成了这一课题。刘人怀院士特别是在第一发现点中，以自己原创的修正迭代法和其他方法开创性地研究了复合材料层合板壳的非线性问题。同时，在第二和第三发现点上也做了贡献，代表作见第1、2、5篇论文，投入在该项目的工作量占本人工作量的60%。

2.   傅衣铭

1.建立了一套完整的对层合中厚板壳结构进行非线性静、动力学分析的理论和方法；

2.建立了三种适用于层合板壳结构分析的粘弹性损伤本构模型；

3.首次研究了具损伤粘弹性层合板壳结构的动态分岔与混沌运动特性。

在第一和第三发现点上做出了贡献，代表作见第3篇论文，投入在该项目的工作量占本人工作量的70%。

3.   何陵辉

1，提出界面剪应力连续的多层复合材料结构模型；

2，提出复合材料集体均匀场方法；

3，合作获得微极夹杂问题的解；

4，系统研究粘性界面对复合材料宏观力学行为的影响。

在第一和第二发现点上做出了贡献，代表作见第4、9篇论文，投入在该项目的工作量占本人工作量的70%。

4.   成振强

1，建立具有损伤界面的复合材料层合板壳的线性和几何非线性理论。

2，获得球形和柱形夹杂的微极弹性理论解。

3，获得压电层合板壳力学问题的一系列三维解析解。

在第一和第二发现点上做出了贡献，代表作见第6、7、8篇论文，投入在该项目的工作量占本人工作量的70%。

5.   袁鸿

在本项目的第三发现点与他人合作发表23篇关于复合材料界面断裂力学方面的论文，发现了界面裂纹的传播规律和破坏机理，得到了承载力，有效粘结长度的解析表达式。相关成果成功地应用到了广东省的多座桥梁加固中，具有重要的现实意义。同时，在第一发现点上也做了贡献，代表作见第10篇论文，投入在该项目的工作量占本人工作量的70%。

10篇代表性论文：  1.   考虑横向剪切的对称层合圆柱正交异性扁球壳的非线性稳定性问题，中国科学，A辑, 35(7), 742-751，英文论文见（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).