先进复合材料结构具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、可设计性好等优势，在已经受到航空、航天、船舶与汽车工业的广泛重视。在国际上，先进复合材料与结构技术已经成为核心竞争优势之一。以空客350和波音787为代表的最新一代商用飞机，均以复合材料用量占整机结构重量的比重作为体现其技术水平的标志。而在航天领域，先进复合与结构早已广泛运用。在我国，几个具有划时代意义的重大研发计划如“大运载”与“大飞机”均把先进复合材料与结构列为关键技术投入大量人力物力进行攻关。先进复合材料结构由于其内部存在的多组分、多尺度的复合结构，与金属材料相比，对其结构设计、制备工艺、性能演化、损伤失效的表征与预报更为困难，材料、结构特性与环境条件的相互耦合也使得有效性能分析的难度加大。基于这一特点，对先进复合材料与结构的研究也必须建立在设计、制造与评价一体化的基础上。目前，固体力学研究室的先进材料与结构一体化课题组正在该方向积极开展研究工作。 先进材料和结构研究方向包括如下四个方面： 1. 先进材料多尺度设计理论、方法和性能表征。先进复合材料结构具有宏-细观强耦合关联的多尺度特征，建立考虑细观损伤状态的复合材料结构多尺度分析方法，在同一个模型中实现多尺度变量同步关联的高效分析，克服传统有限元方法在处理复杂结构中局部细节与损伤状态的困难，建立结构设计约束条件的跨尺度同步关联，为积木式方法提供系统的理论指导，是充分考虑复合材料结构特性、促进多尺度方法在先进复合材料结构设计中应用的创新性理论研究。 2. 先进材料和结构制备和成型过程中的工艺力学和虚拟仿真。先进复合材料和结构的制备和成型过程极其复杂，涉及热、压力、渗流及化学反应与相变等多个相互耦合的过程，更重要的，先进复合材料与结构的制备和成型过程直接决定了其服役性能。因而，对这一过程的工艺力学进行研究并在此基础上实现虚拟仿真是优化先进复合材料结构性能，提高产品质量的关键保证。 3. 先进材料和结构分析和设计理论和方法。先进复合材料与结构的优势能否有效发挥，取决于其分析与设计的水平。先进复合结构设计需要跨越材料-层合板-结构元件（板、肋、梁）-次部件-部件不同的尺度，设计过程需要了解局部细节到整体部件跨越多个数量级的关联信息。深入研究复合材料结构设计理论，是针对国内材料体系与工艺水平的实际情况，实现自主创新必然途径。 4. 先进材料和结构失效机理和诊断。针对先进复合材料结构损伤演化，国内外已经进行了大量的研究。在层合板层次上基本实现了损伤过程的描述与准确预报，为先进复合材料结构有效性能演化规律研究打下了良好的基础。但是典型复合材料结构的有效性能演化与实验室条件下层合板的行为有两个本质性的差异。首先是必须考虑实际应用中的更为复杂的结构形式与载荷分布，层合板研究中许多为了简化对象而进行的基本假设无法成立；先进复合材料结构的损伤不易被发现，必须研究开发有效地在线监测技术手段以实现对复合材料结构的损伤进行诊断与分析。 通过以上几个方向的研究，建立系统的数据库，并在其基础上进一步形成一个集成化的先进复合材料与结构的虚拟设计与试验平台,促进本学科发展，同时也将为我国几个战略性研究计划的顺利开展提供有力技术支撑。 固体力学研究室 2009年9月1日 |
