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聚合物基多相复合材料的吸湿损伤：基于相场理论的全耦合损伤模型

聚合物基复合材料,相场理论,全耦合行为,粘弹性-湿度扩散耦合方程

了解吸湿老化对于提高聚合物复合材料在水下环境的服役性能与寿命至关重要。在该领域做出了很多努力之后，关于湿度对聚合物复合材料失效过程的影响仍然存在疑问。这种疑问源于以下因素：缺乏对于聚合物复合材料在吸湿老化过程中内部的多场耦合过程的相关知识。本研究提出了一个计算框架，该框架考虑了湿度扩散与应力、损伤演化之间的全耦合行为，以预测纤聚合物复合材料在长期暴露于高度潮湿环境中的失效过程。这项研究的新颖性可以归纳为4点：（1）建立了热力学一致的粘弹性-湿度扩散方程，以描述湿度扩散与多相材料力学响应之间的相互作用。（2）提出了一种双相场模型，该模型将吸湿膨胀和纤维/基质界面脱粘纳入到统一的损伤控制方程中，以预测聚合物复合材料在湿度侵蚀下的损伤演化过程。 （3）结合连续损伤力学和相场理论，提出了一种与实际物理现象一致的的理论，称为裂纹滤波器理论。利用该理论可以描述湿度扩散和损伤演化之间的瞬态耦合作用。该理论可以扩展到任意的化学-力学耦合问题，例如热冲击，氢脆，锂离子电池中存储颗粒的破裂问题等等。 （4）最后，我们提出了一种称为抗湿模量的静态强度评估指标，以评估聚合物复合材料的耐湿性能。我们通过数值模拟首次捕获到了关于了湿度扩散，应力再分布和损伤演化之间的一些有趣的耦合行为，这为聚合物复合材料在湿度侵蚀下的的耦合破坏机理提供了新见解，并有助于复合材料的微结构设计以增强其在水下环境的服役性能。