题目：树脂基复合材料粘弹性表征分析及其应力松弛行为预报

纤维增强树脂基复合材料作为一种高性能材料在航空、航天等工程领域已经得到了广泛的应用，随着用量的增加和时间的推移，人们越来越关注其应力松弛行为，而应力松弛通常是指粘弹性现象，材料的属性及响应随着时间变化。复合材料结构件的设计使用寿命一般会有很长一段时间，在使用过程中不可能经常把结构件拆卸下来检测其是否安全，另外新制造的结构件放置久了其形貌也会发生变化，这样对于复合材料结构件的装配也会造成一定的麻烦。对于设计人员来说，很有必要知道复合材料材料属性及其结构件随时间的变化情况，也为装配的安全性和使用上的安全性提供保证。在这样的背景下，本文对纤维增强聚合物基复合材料的粘弹性属性表征以应力松弛行为进行了深入研究，主要包括材料测试表征方法、材料属性预测的有限元及解析方法以及复合材料结构件的应力松弛行为研究和预测，具体的研究工作如下：

（1）建立了一种复合材料粘弹性表征的新方法----向量拟合法。将电子和自控领域用来近似传递函数的向量拟合技术创新性的应用到材料学领域中的粘弹性表征中。结合聚合物材料粘弹性的基本模型、相应性原理、时温叠加技术以及向量拟合技术，在此基础上，综合运用跨学科知识，提出了新的粘弹性表征方法，并用文献中的实验数据对该方法进行了验证。结果显示，向量拟合法能够较好的用来表征材料的粘弹性，其精度比现有文献中提到的经验公式要高。

（2）实验研究单向复合材料的热力学属性和粘弹性属性的测试表征方法。通过热膨胀仪测试单向复合材料的热膨胀系数。通过DMA时温叠加测试实验研究复合材料粘弹性属性，温度范围是25℃到275℃，每个恒温平台实施扫描的频率范围是1Hz到16Hz。通过水平移动构建了储能模量和损耗模量在参考温度下的主曲线。通过时温叠加，得到了偏移函数表达式。运用向量拟合方法得到了松弛模量在给定参考温度下的时间域内的表达式。

（3）运用细观力学有限元技术和体积平均算法预测了单向复合材料的线性粘弹性属性变化。建立了纤维呈正方形、正六边形和随机分布的一些单胞模型，以及含有不同形状纤维的单胞模型。运用周期性边界条件，施加一定的载荷，研究了不同的单胞构建方式对复合材料粘弹性属性预测结果的影响。

（4）构建了一个新的半解析模型来预测和分析复合材料的粘弹性响应。该模型通过定义一个参数因子提供一个比较方便的途径来预测复合材料的松弛模量。该参数值可以根据特定的情况下（不同的纤维形状、纤维分布和不同载荷作用下）进行调整。建立的半解析模型可以方便地用来进行参数研究和进行复合材料结构的有限元分析，给出的算法也可以扩展到研究非线性粘弹性复合材料的行为。

（5）以复合材料层合板构件为研究对象，实验研究了其粘弹性行为。以细观力学为基础，借助ANSYS有限元软件平台，建立了多尺度预报复合材料粘弹性方法和实现过程。用细观力学单胞有限元技术预报了单向复合材料的宏观粘弹性属性，并用单向复合材料的力学测试得到的纵向弹性模量值对预报的结果进行了验证，从而也验证了该方法的正确性，节省了粘弹性材料属性测试的成本。在此基础上对复合材料层合板的应力松弛行为进行了预报。