前言

植物纤维由于具有天然环保、来源广泛、较高的比强度和比刚度等特点，其增强复合材料在工业生产和生活中被广泛使用，如汽车工业、建筑建材等，成为复合材料研究领域的热点之一。

在研究植物纤维增强复合材料的试验过程中，发现该复合材料的力学行为在拉伸时呈现明显的非线性。造成这种非线性的主要原因是纤维加捻、偏轴拉伸及基体的粘弹性行为。在对植物纤维增强复合材料的应力—应变关系进行分析，尤其在研究纵向拉伸时发现，传统的线弹性本构模型已经无法胜任对非线性力学行为的分析了，而且如果仅在线弹性范围内使用该材料，则不能充分发挥出该材料的优异性能，用线性模型替代非线性模型以得到其近似解的处理方法不能很好地反映实际系统的力学行为。这就需要充分了解该复合材料的非线性力学行为，特别是需要从更加细观的角度去分析其内部的机理与特性，如植物纤维独特的加捻特征，同时需要为复合材料建立合适的细观非线性本构模型。

建立植物纤维增强复合材料的非线性本构模型，一个重要作用是辅助该复合材料的结构优化设计。例如，在结构设计阶段将本构模型与商业有限元软件结合，可以更加准确地计算结构在不同受载条件下的应力状态并预测其承载能力，有助于结构的优化设计，同时省去或减少大量的试件制备和测试过程，从而降低该复合材料的研发成本。

文献检索发现，国内外学者的研究都未结合植物纤维的加捻等特征来针对植物纤维增强复合材料应力—应变关系或者本构模型展开研究（多在研究强度），这为本书的研究提供了突破口，即本书旨在研究植物纤维加捻、初始偏轴拉伸对植物纤维复合材料非线性力学行为的影响，研究其在小应变情况下（通常小于2%）的非线性应力—应变关系或本构模型，这是本书的出发点和创新基础。

本书利用试验研究、机理分析、数学建模、数值模拟等手段开展对植物纤维增强复合材料非线性力学行为的研究，主要内容如下：

（1）从加捻纵向拉伸非线性、无捻偏轴拉伸非线性，到加捻偏轴拉伸非线性，系统地介绍了植物纤维增强复合材料的非线性力学问题。

（2）针对不同研究对象和载荷条件，分别建立基于分段函数的纵向拉伸数学模型、单参数偏轴拉伸模型、多层次角度融合偏轴拉伸模型。

（3）结合有限元仿真软件对植物纤维增强复合材料非线性力学行为进行数值模拟，并举例分析。

本书通过上述研究，得到以下主要结论：

（1）本书通过系统化的研究，认为植物纤维增强热固性树脂复合材料的非线性力学行为主要是由植物纤维的加捻、偏轴拉伸引起的，内在的物理机理主要表现为纤维与基体脱粘、基体开裂、表面捻转角变化、纤维断裂等。

（2）在对加捻植物纤维增强热固性树脂复合材料的纵向拉伸力学行为研究中，采用的分段函数模型是一种唯象的理论模型，其重要意义在于用表面捻转角这个变量来表征加捻对非线性力学行为的影响，给出应力、应变与表面捻转角三者的关系，通过与试验数据的对比，表明该模型的有效性较好。

（3）本书建立的基于单参数的植物纤维增强热固性树脂复合材料无捻偏轴拉伸力学行为模型，是在剥离表面捻转角影响的情况下进行的，通过与加捻的情况进行对比，显示加捻对复合材料非线性的影响明显，揭示了加捻是植物纤维增强复合材料纵向拉伸时非线性力学行为的主要成因，模型结果与试验结果总体吻合较好。

（4）本书针对既加捻又偏轴的情况，首次提出融合微纤丝角、表面捻转角、偏轴拉伸角三种角度的数学模型。然而由于变量较多，应用时要根据实际情况进行建模，以约简和方便计算。本书算例中给出的基于反正弦双曲标量函数的关系模型，利用MATLAB进行仿真，效果良好。

（5）基于ABAQUS的有限元数值模拟应用在植物纤维增强复合材料的偏轴拉伸中，由于偏轴拉伸载荷模拟相对简单，仿真能高效地得到偏轴拉伸的模拟结果。另外，调用UMAT材料子程序运行的结果比直接仿真的效果好，其应力—应变关系曲线更加平滑。

本书的研究为今后进一步开展植物纤维增强复合材料在其他复杂载荷条件下的力学行为研究奠定了理论基础，为拓宽复合材料非线性力学行为理论进行了有益的尝试。

本书的撰写得到了同济大学航空航天与力学学院院长、博导、国家杰出青年基金项目获得者李岩教授的支持，她精心修改并给出了中肯的意见和建议，在此表示感谢。

由于作者水平有限，书中错误和不妥之处在所难免，敬请读者提出宝贵意见，以便再版修订，从而更好地为广大读者服务。作者联系方式：464054407@qq.com。

李永平
2019年2月