● 摘要
当今，复合材料由于其优良的力学性能，轻质等性能广泛地应用于航空结构、离岸平台、汽车业、可再生能源和其他许多技术领域。由于这些原因，传统的金属合金正逐步被增强型聚合物复合材料的替代。
本研究的核心目的是研究海洋相关的聚合物基复合材料的应用耐久性和耐损性。并随着研究对不同的服役环境下聚合物复合材料的降解进行了预测。这个目标已经通过实验和数值计算方法相组合来实现。采用各类相关实验对不同的复合材料的水份吸收和力学性能进行了表征。并利用Abaqus软件辅助下的有限元分析方法对这项研究进行了数值分析和模拟。
首先，本文分别对玻璃纤维和碳纤维增强的树脂基复合材料以及原始环氧树脂全部吸湿动力学进行了测试和分析。由于研究的重点是调查海洋环境下的复合材料材料的性能，所以在吸湿试验中，对样品设置了为期两年蒸馏水和人工海水浸泡环境。为了模拟真实海洋环境，采用了不同浓度盐水溶液来模拟人造海水。吸湿试验也在正常和加速老化条件下分别进行，其中加速老化的试验，在70℃环境下进行。结果表明，碳和玻璃纤维复合材料的吸湿曲线符合Fickian扩散模式，而原始环氧树脂的吸湿动力学呈非Fickian模式。实验中还观察到水分扩散系数值在加速老化条件下较高，在普通环境下逐渐降低。样本采用热分析和力学测试进行了进一步表征。其中老化和服役样本的玻璃化转变温度，界面（层间剪切强度）和弯曲强度得到了测试和分析。从这些结果可以得出结论，在老化过程中的材料的力学性能和热性能发生了降低。力学试样的断面使用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）图像进行了表征和分析。
本文对吸湿现象采用有限元法进行了数值模拟和分析，分析中采用了可以模拟各种环境条件下的水分吸收的不同的情况的Abaqus软件。有限元分析结果同时采用有限差分方法进行标准化。由于水分扩散和热传导具有类似的过程，所以可以使用相同的略有调整后的偏微分方程对其水分扩散系和导热性参数进行建模。在这项研究中，热传导方程采用有限差分显式方法，其中在一有限元法中代入类似的边界条件解析模型，在这两种情况下，该验证的数值结果具有相同的有效性结果。
为了模拟所作的连续纤维的有限元技术应用于复合材料中发生的失效和老化，对不同的失效和断裂机理进行了鉴定和分析。根据最大应力和Tsai-Wu准则，的碳纤维复合材料的失效界限在拉伸加载下得以确定。同时，在拉伸载荷条件下，利用用户定义子程序（ UMAT ）辅助的有限元模拟分析中，确定和分析了碳纤维的渐进损伤过程。在渐进破坏模拟中利用Rosen模型确定了复合材料的拉伸破坏，并确定了该复合材料发生破坏的临界拉伸强度。碳纤维复合材料的破坏和失效也可通过抗压载荷条件下的Abaqus软件进行计算。聚合物复合材料的开始分层和扩展行为通过内聚单元进行了计算和分析。 Abaqus软件同时被应用于针对零厚度内聚单元的双悬臂梁分层模型的模拟计算。
在吸湿分析的实验和数值结果研究的基础上，本文最后提出了一个预测海上聚合物基复合材料的寿命及性能保护的可行性建议。方案提出一种使用环氧树脂作为粘合剂，将钢胶合到聚合物复合材料表面的多轮面板结构。该有限元仿真模型建立在水分扩散系数的实验数值和二十年中的水分分布数据。通过该信息，我们可以根据材料的建议使用寿命和预测的吸湿趋势模拟计算来设计复合材料结构
本文章利用实验数据和数值模拟计算，为确定聚合物基复合材料在不同环境条件下的老化失效提供了一种系统性方法。