题目：填充泡沫塑料的力学性能研究及失效机理分析

填充泡沫塑料是一种轻质的新型复合材料。由于它扩展了普通泡沫塑料的应用范围，具有更好的比力学性能，正在受到科技界的更多关注。目前，填充泡沫塑料的研究主要集中在材料制备和性能的实验测试上，力学理论研究方面的工作还很不够，因此对这种材料的力学性能及失效机理进行研究分析是非常必要的。论文采用实验分析、理论研究和数值模拟方法对填充泡沫塑料力学行为进行探讨，完成了以下三个部分的工作：（1）对于纤维增强泡沫塑料，首先针对其进行了拉伸和压缩实验研究，发现纤维束能够提高泡沫塑料的力学性能，但存在最佳纤维填充比，密度是影响增强效果的重要因素。将Mori-Tanaka方法和修正剪滞模型相结合，能够解释单向短纤维增强泡沫塑料的应力传递机理。算例揭示：当孔隙体积含量增加，纤维轴向应力和界面剪应力会增大，更易发生脱粘和拉断破坏。此外，有限元结果表明：纤维端部脱粘或穿过泡孔将使附近区域产生应力集中，不利于纤维增强效果。（2）对于环氧复合泡沫塑料，实验发现材料压缩力学性能与应变率、温度和密度有关，试样的长径比（长度/直径）极大地影响了宏观断裂特征。实验和数值计算揭示出环氧基体在与载荷成45方向极易发生剪切屈服破坏。其次，对于微米级空心微珠填充聚氨酯复合泡沫塑料，实验结果揭示出不同微珠填充含量下的材料压缩曲线特征不同, 密度、微珠团聚和界面粘结不良都将影响微珠的填充效果；模拟结果表明上、下泡孔间薄胞壁处所受Von Mises应力较高。最后，利用人工神经网络方法较好地模拟和预测了复合泡沫塑料的力学行为。基于广义自洽原理，利用复合球模型给出了材料的弹性常数解析解和应力场。计算结果表明：涂层空心微珠填充复合材料的力学性能由各相材料的力学性能和厚度共同决定。对于不同内径的空心微珠填充复合材料，界面脱粘的部位和界面外侧最大Von Mises应力处并不相同。随着微珠壁厚的增加，微珠对材料整体力学行为的影响从与实心柔性粒子作用相同转变为与实心刚性粒子作用相同。对基体相的Von Mises应力取径向平均作为判据能较好地预测普通泡沫的强度。最后，通过引入破坏影响因子，对复合泡沫塑料强度的预测进行了有益的探讨。（3）对于中空纳米微球填充复合材料，利用考虑填充料表/界面应力影响的四相球模型给出了复合材料有效弹性常数的闭合形式解。结果发现中空纳米微球填充材料存在尺度相关性，受表面性能、中空纳米微球粒径和壁厚的影响很大。壁厚越薄的微球填充材料，弹性常数与经典解相差越大，这可归因于中空纳米微球具有两个界面，在相同体积含量和粒径下，壁厚越薄，总表/界面积越大，表面应力对有效模量的影响越显著。此外，根据替换思路，利用能量等效原理将考虑界面应力影响的中空纳米微球等效为无界面应力效应的均匀实心颗粒，然后在多相夹杂复合材料能量等效框架下，求出纳米填充材料的有效模量公式。通过考虑孔径服从对数正态分布的纳米材料，发现纳米孔隙平均半径越小、标准差越大，有效弹性常数与经典解之间的差别越大，尺寸效应越明显。