Multicontinuum 理论 (MCT) 简介

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基础连续介质力学的基本前提是任何物理量的关注点都可以在某个材料点处进行评估,方法是将物理量平均分布在关注点周围的代表性体积单元上。与材料实体的整体物理尺寸相比,此代表性体积单元(或 RVE)的大小必须非常小,但要足够大,才能提供准确的统计数据来表示实体的材料微观结构内的物理量。对于典型的单向纤维加强型复合材料,纤维通常在材料基体内具有一定的随机间距。因此,用于对材料点进行特征化的 RVE 必须足够大,才能包含大量的纤维,从而提供准确的统计数据来表示平均分布在 RVE 上的数量。但是,从某种统计意义上说,为了计算方便,通常假定统一的纤维分布来表示实际的随机纤维分布。采用统一的纤维间距允许使用具有周期性边界条件的单个单元经济地表示 RVE。

多重连续介质的概念只是延伸了连续的理念来体现共存于 RVE(用于对材料点进行特征化)中的明显不同的材料。不管是存在两种还是三种清晰可辨的且材料特性有巨大差异的成分,这样的延伸都属于自然延伸。因此,单向纤维增强复合材料可以被视为共存于适当选择的复合材料代表性体积单元中的两个交互连续(纤维连续和基体连续)。在这种单向纤维增强复合材料的多重连续介质表示中,有三个与复合材料的力学相关的不同体积平均值。这三个体积平均值如下所述。

a) 关注点的物理量平均分布在表示复合材料的整个 RVE 上。这些量通常称为“平均分布”的复合量,而且表示物理量的整体平均值,因为它们在 RVE 内因微观结构的纤维和基体成分而异。用于表示这些复合平均量的变量带有可区分的上标“c”。在此文档中,这些量将称为复合平均量。

b) 关注点的物理量明确地平均分布在复合材料的 RVE 内的纤维连续上。这些量称为纤维平均量。用于表示这些纤维平均量的变量带有可区分的上标“f”。

c) 关注点的物理量明确地平均分布在复合材料的 RVE 内的基体连续上。这些量称为基体平均量。用于表示这些基体平均量的变量带有可区分的上标“m”。

对于编织复合材料,纤维和基体体积平均量仍然是关注点的基本量,但存在其他的复杂因素,因为除了微观结构(纤维和基体)之外,编织 RVE 还包含细观结构(即,扭曲牵引、填充牵引和纯基体支座)。在这种情况下,我们必须在扭曲牵引、填充牵引和纯基体支座中出现的基体平均量之间进行区分。此外,我们还必须在扭曲和填充牵引中出现的纤维平均量之间进行区分。这需要我们能够识别某些与编织复合材料的细观结构相关的中间级别成分,例如扭曲牵引成分、填充牵引成分和纯基体支座成分。另外,还必须计算这些中尺度成分的体积平均量。

在传统的连续介质力学(应用于纤维增强复合结构)中,主要关注于各种复合平均量(例如应力、应变)之间的关系发展。Multicontinuum 理论(或 MCT)加强了传统的连续介质力学,将关注内容扩大到包含另外两个问题:1) 关注点的各种成分平均量之间的关系发展,以及 2) 将复合平均量链接到成分平均量的关系发展 [1-12]。