题目：国产碳纤维复合材料性能演化、损伤仿真和试验研究

碳纤维树脂基复合材料具有其它复合材料无法比拟的优良性能，广泛应用于军事及民用工业的各个领域，是目前航空航天领域应用最广泛的一种结构复合材料。其在我国国防武器装备、大型客机、导弹、运载火箭和人造卫星等方面的应用呈现不断攀升的趋势，应用水平从非承力结构到次级承力结构，并向主承力结构发展。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材料。而国产碳纤维复合材料应用基础研究薄弱，在基础理论和工程实践方面还有许多问题有待研究和解决。国产碳纤维复合材料材料性能许用值的合理确定、力学性能演化分析与损伤过程仿真是解决国产碳纤维批产代替进口碳纤维、实现碳纤维复合材料规模化服役的关键问题之一。本文发展了典型湿热环境下国产碳纤维复合材料性能演化表征与预报方法，实现了国产碳纤维复合材料结构损伤演化过程的可视化仿真。具体而言，本文研究工作可归纳如下：1、发展了碳纤维增强树脂基复合材料微观尺度试验，分析了碳纤维复合材料界面相的尺寸、模量和粘结性能随湿热条件的变化关系，揭示了典型湿热条件下碳纤维复合材料界面相的演变规律，为湿热环境下碳纤维复合材料力学性能的微观力学模拟提供了基础输入条件和指导。2、系统开展了RTM工艺成型的国产碳纤维复合材料U3160/EP体系和CF3052/EP体系湿热性能试验，通过试样级试验测试了国产碳纤维复合材料在典型湿热条件下的基本力学性能，通过层板级试验测试了国产碳纤维复合材料典型铺层层合板在典型湿热条件下的力学性能，揭示了温度和吸湿对国产碳纤维复合材料力学性能的影响规律，分析确定了国产碳纤维复合材料体系的材料性能许用值，并成功应用于某型直升机中央盒式龙骨机身结构设计。3、提出了一种新的细观力学有限元方法——复合材料含均匀界面相的拟真实微结构的纤维双随机分布细观力学有限元模型。该方法结合纤维增强树脂基复合材料的真实微结构特点和纤维单丝综合力学性能测试结果的离散性特征，通过改进随机序列吸附算法发展了移动窗口方法，考虑了纤维排列方式和力学性能随机分布以及界面相微结构的作用。以代表性的复合材料T300/914C体系的宏观性能试验结果评价了所发展的细观模型的可靠性和适用性，预测精度比常用的纤维规则排列模型和Mori-Tanaka法有所提高，普遍适用于单向纤维增强复合材料力学性能的准确预测。利用该模型揭示了界面相厚度、界面相模量、界面相泊松比和界面相强度等细观特性与宏观力学性能的关联规律和影响程度。4、首次建立了综合考虑界面相微结构作用、真实微结构随机性特征和湿热效应的纤维增强复合材料力学性能演化分析和渐进损伤模拟的跨尺度分析方法。实现了不同湿热条件下国产碳纤维复合材料从组份材料性能到基本力学性能及至层合板力学性能的演化预报，快速仿真了湿/热/力载荷耦合作用下国产碳纤维复合材料典型铺层含孔层合板从损伤萌生至最终失效的渐进破坏过程，对比分析了湿热效应对含孔层合结构损伤萌生和增长蔓延过程的影响。