近日，複合材料力學知名期刊《複合材料結構》(Composite Structures)在線發表了同濟大學黃爭鳴教授的最新代表性長文：「連續纖維、短纖維及顆粒增強複合材料的本構、變形、破壞與強度」(Constitutive Relation, Deformation, Failure and Strength of Composites Reinforced with Continuous/Short Fibers or Particles)。
固體材料和結構分為各向同性與各向異性，其本構、變形、破壞和強度，是固體力學研究的主要內容。雖然各向同性材料的基本力學問題已有解決方案，但各向異性暨複合材料的損傷、破壞和強度分析卻依然是固體力學面臨的一個最大挑戰。在這一重要學科領域，黃爭鳴歷經多年研究，取得了系統性突破。他創建的複合材料彈-塑性解析本構理論——橋聯模型，是唯一滿足內應力計算一致性的理論，不滿足一致性，就須採用三維本構方程計算纖維和基體中的內應力，相比二維方程的計算量至少增加一個數量級；基體進入塑性後，只有橋聯模型的本構方程是解析式，其他模型依賴的Eshelby張量無顯式，數值積分須取200個以上高斯積分點方足夠精確(Comp. Mech., 7: 13-19, 1990)；眾多國外評估證實，橋聯模型精度高於其他模型(Int. J. Impact Engng., 2009, p. 899)，也是「世界範圍破壞評估(WWFE)」參評精度最高的細觀力學理論(Comp. Sci. Tech., 64: 565, 2004)，並且是唯一計算了纖維和基體中熱殘餘應力的參評理論(Comp. Sci. Tech., 64: 450, 2004)。橋聯模型已成為世界複合材料力學界的一個著名理論，得到了廣泛應用，不完全統計，國內外他人基於橋聯模型公開發表的研究論文已達220篇。
複合材料除沿軸向的破壞可能源自纖維外，其它破壞一般都源自基體。因此，幾乎所有挑戰性問題皆因無法準確預測基體破壞所致，關鍵是現有理論只能求得基體均值應力，而複合材料的性能預報必須基於真實應力，黃爭鳴開創並系統建立了基體真實內應力理論。他還首次將複合材料的破壞定義為強度型和損傷型，指明了損傷型破壞主要有三類，即纖維和基體界面開裂、層合板分層及層合板中的非致命破壞，其中，非致命破壞包括基體的拉伸與壓縮破壞，一舉解決了如何確定飛機等先進複合材料結構「損傷容限設計」中的損傷容限難題。
基體拉伸和壓縮破壞依據其破壞面上的外法向應力大於或小於0確定，黃爭鳴依據堅實的物理原理，創建了普適的基體拉、壓強度理論。他還徹底解決了任意載荷下纖維和基體界面何時開裂這一難題，除了纖維和基體性能外，只需提供一個複合材料橫向拉伸強度即可。
航空界往往視複合材料為脆性材料，蓋因其軸向和橫向拉伸直至破壞皆為線性的，但無法解釋為何剪切非線性變形卻異常顯著。黃爭鳴通過研究揭示纖維和基體界面開裂後的相對滑移是剪切非線性變形的主因，其次是基體塑性和真實內應力影響。
針對為什麼從T300到T1100，碳纖維的強度大幅提升，但複合材料沿纖維的壓縮強度卻幾乎不變？黃爭鳴揭示，當纖維強度足夠高后，纖維偏折導致軸向壓縮下基體先發生剪切破壞。因此，進一步提升纖維強度無助於改善複合材料軸向壓縮強度，只有通過減少纖維偏心排列、提高基體剪切強度方可改進。
層合板分層是複合材料最為常見的破壞形式，目前預測分層存在兩大難題：一是幾乎每個加載步都須迭代，計算量極為龐大，工程中無法用；二是有些輸入數據的確定甚至沒有實驗標準可依。黃爭鳴建立的分層萌生與擴展分析方法無需任何迭代，除了纖維和基體性能，只需提供單向層合板的臨界斷裂韌性即可。
黃爭鳴建立的理論皆為解析公式，其分析所需的複合材料輸入數據不僅降到最低，而且這些數據都可依據現有實驗標準預先獨立測定。這對複合材料的工程應用具有重要意義。(來源：同濟大學)
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.113279
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