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本书在研究植物纤维增强复合材料的过程中，发现该复合材料的力学行为具有明显的非线性，而这种非线性主要是由植物纤维加捻造成的，与传统纤维增强复合材料不同，这也成为研究植物纤维增强复合材料非线性的出发点，其重要性表现为：
（1）植物纤维预浸料的研制，如今这也是植物纤维增强复合材料新的发展方向之一，如何选择合适的加捻程度以获得优异的复合材料力学性能是重要的课题之一。
（2）由于复合材料结构上的几何非线性因素影响不可忽略，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，需要从更加细观的角度去分析，如植物纤维加捻。复合材料结构的非线性静力学、动力学分析已成为固体力学研究领域中的重要研究内容。
在对植物纤维增强复合材料的应力—应变关系进行分析描述时，传统的线弹性本构模型已经无法胜任非线性力学行为的分析，而如果仅在线弹性范围内使用该材料（忽略非线性），则不能充分发挥该材料的力学性能。在某些领域（如航空航天），安全裕度过大与其部件追求减重的目标不符。因此需要充分了解该材料的非线性力学行为，特别是其内部的损伤机理与特性，并为其建立合适的非线性本构模型。建立非线性本构模型的一个重要作用是辅助复合材料的结构优化设计，在结构设计阶段将本构模型与商业有限元软件相结合，准确计算结构在不同载荷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，从而降低复合材料结构的研发成本。
（3）植物纤维增强复合材料偏轴拉伸也呈现明显的非线性，在这一过程中，加捻是如何对偏轴拉伸非线性造成影响的，这与传统纤维增强复合材料有什么区别，为此需要建立相应的考虑加捻的偏轴拉伸力学行为模型，为植物纤维增强复合材料的准确设计提供依据。
总之，如果忽略植物纤维增强复合材料由于加捻或者偏轴拉伸引起的非线性，在设计先进复合材料的相关性能参数时将降低准确度，从而影响复合材料制造的质量和成本，势必最终影响其在工业生产各个领域中的应用。
Madsen等人 ［20］ 研究了大麻纤维增强热塑性树脂复合材料的拉伸力学性能，包括：①两种大麻纱线与其复合材料拉伸应力—应变关系，发现曲线呈现非线性，同时得到质量更轻的大麻品种增强的复合材料产生同样的应变需要的应力更大的结论，这说明纤维质量对非线性力学行为有一定影响（见图1.1）；②对比三种不同大麻纤维体积分数复合材料的拉伸应力—应变曲线，发现曲线呈现非线性，且纤维体积分数越大产生同样的应变所需的应力越大，这说明纤维体积分数对非线性力学行为有直接影响（见图1.2）；③对比同一种大麻纤维增强三种不同树脂基体的应力—应变曲线，曲线呈现非线性，且发现基体为PET的复合材料拉伸时产生同样的应变所需应力最大（对比基体为PP和PE），这说明基体的性质对复合材料非线性力学行为具有直接影响（见图1.3）；④对同一种大麻增强复合材料进行0°、10°、20°、30°、45°、60°、90°的偏轴拉伸，对比各应力—应变曲线，发现偏轴角越大应力越小，这说明偏轴拉伸角度对非线性力学行为有直接影响而且试验结果表明影响很大（见图1.4）。综上可知，B.Madsen等人做了大量试验研究，但其不足之处在于该工作通过大量试验研究获得一定的规律性结论，但并没有将这些结论以力学模型的形式表述出来，即没有建立相关的本构关系和模型，其应用具有一定局限性。
图1.1 不同质量大麻纤维增强热塑性树脂复合材料非线性拉伸对比 ［20］ （颜色淡的质量轻）
图1.2 不同大麻纤维体积分数对应的复合材料非线性拉伸对比 ［20］
图1.3 同种大麻纤维不同基体对应的复合材料非线性拉伸对比 ［20］
图1.4 不同偏轴拉伸角度下对大麻纤维增强复合材料非线性拉伸的对比 ［20］
Shah等人 ［21］ 研究了亚麻纤维复合材料在0°、15°、30°、45°、60°、90°的偏轴拉伸力学行为［见图1.5（a）］，发现在应变小于0.4%时其应力—应变关系表现为明显的非线性，同时随着偏轴角的增大，产生同样的应变所需的应力相应减小［见图1.5（b）］。
图1.5 单向亚麻纤维纱线增强聚酯复合材料偏轴拉伸
此外，Shah等人 ［25，32-35］ 在过去五年间还对植物纤维复合材料非线性的拉伸力学行为及相关建模工作展示了浓厚的兴趣，其研究范围涵盖亚麻、剑麻、苎麻等植物纤维增强复合材料的力学行为，也针对加捻对复合材料强度的影响、纤维体积含量的最优化、植物纤维复合材料能否取代传统纤维复合材料等各类问题，进行了各种有意义的探索和试验。他们构建的力学模型是基于复合材料混合定律、理想加捻短纤维纱线结构和Krenchel方向效率因子提出的，除利用自己的试验数据进行验证外，还广泛地引用了Goutianos和Peijs ［29］ 的试验数据进行验证，证实了模型的有效性。
2009年，Nakamura等人 ［22］ 研究了纱线捻度对苎麻编织增强复合材料非线性力学行为的影响，并对比了复合材料与苎麻织物在力学性能上的不同，还利用有限元分析方法分析了纱线捻度对苎麻织物复合材料拉伸性能的影响，结果表明产生同样的应变时捻度越大所需要的应力越小（试样HT3C的捻度最大），如图1.6所示。
图1.6 不同纱线捻度对苎麻织物增强复合材料非线性力学行为的影响 ［22］
另外，王春敏 ［23］ 在其论文《纤维束本构方程的研究》中介绍，在不考虑剑麻纤维自身所致非线性的前提下（认为属线弹性力学情况），由于在制作试样时，对剑麻纤维束进行了加捻（由于表面捻转角与捻系数成正比，也可以用于表征纤维的加捻程度），加捻后剑麻纤维束的弹性模量发生改变，沿纤维方向的弹性模量变化规律为
式中， E f 为原剑麻纤维弹性模量。
从上述的研究可以总结得到，植物纤维增强复合材料在纵向拉伸，尤其在偏轴拉压时有明显的非线性，产生非线性力学行为的主要原因有：纤维加捻所致的非线性、基体（主要是热塑性基体）粘弹性所致的非线性等。在一般情况下，植物纤维增强热固性树脂基复合材料的非线性主要表现在纵向偏轴拉伸和加捻所致的非线性。由于本书研究对象为植物纤维增强热固性树脂基复合材料，因此，既需要研究纤维加捻的细观特点，又需要研究宏观偏轴拉伸的特性，故而采用细观力学与宏观力学相结合的方式展开研究。
综上所述，通过对国内外研究现状的分析发现，国内外对于植物纤维短、加捻、非连续性等特征引起的复合材料非线性力学行为的试验研究较多，而非线性力学行为的理论研究较少，尤其对于如何建立考虑植物纤维捻度的非线性力学行为本构关系没有进行研究，这正是本书研究的着眼点，也使得本课题在该方向的研究具有一定的创新性和挑战性。