含界面相Voronoi单元的等效弹性常数的计算

采用含界面相Voronoi单元有限元法,根据广义胡克定律,计算了在给定边界条件下,颗粒增强复合材料的等效弹性常数。建立了含多个随机分布的椭圆形夹杂及界面相的VCFEM模型,分析了夹杂体分比,界面相厚度和界面相弹性模量等因素对颗粒增强复合材料等效弹性常数的影响,并利用普通有限元方法对比验证。结果表明,当界面相弹性模量小于基体与夹杂时,材料的等效弹性模量会随着界面相厚度的增大而减小,随着夹杂体分比的增大而减小,并且界面过薄时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比的增大而增大;当界面相弹性模量大于基体或夹杂时,材料的等效弹性模量会随着夹杂体分比和界面相厚度的增大而增大。而界面相的厚度和弹性模量对材料的等效泊松比的影响较小,材料的等效泊松比主要受夹杂体分比的影响,与其呈反比关系。     

基于界面层模型的双周期纳米夹杂复合材料反平面问题研究

利用复变函数方法并结合双准周期Riemann边值问题理论，获得了含双周期分布非均匀相（夹杂/界面层）的复合材料在远场均匀反平面应力下弹性场的全场解答．该解答可用于对纳米夹杂复合材料的应力进行分析，结合平均场理论也用于预测纳米夹杂复合材料的有效性能．计算结果表明：当夹杂尺度在纳米量级时，应力和有效反平面剪切模量具有明显的尺度依赖性，并且随着夹杂尺寸的增加，趋近于不考虑界面效应时的结果；界面层厚度和性能对应力和有效反平面剪切模量明显变化时所对应的夹杂尺度范围和趋近于无界面效应结果的快慢有显著影响；当界面厚度足够薄时，界面层模型可用于模拟零厚度界面情况．     

含柔性涂层的颗粒增强复合材料弹性模量估计

采用线弹簧型弱界面模型来模拟柔性涂层,研究柔性涂层对复合材料宏观弹性模量的影响。首先利用Mori-Tanaka方法和弱界面球形夹杂问题的弹性解,获得单夹杂内部的平均应力和平均应变,进而求得具有柔性涂层的复合材料的宏观弹性模量,并研究界面柔度对复合材料弹性模量的影响。     

弱界面复合材料的简化塑性模型

本文研究线弹簧型弱界面颗粒增强复合材料,在比例加载条件下的简化塑性模型。利用Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ模型,得到弱界面复合材料的割线弹塑性模量和有效应力,进而通过算例讨论了界面柔度对复合材料宏观应力应变曲线的影响。     

水泥砂浆界面相弹性常数的反演计算

为了计算水泥砂浆界面过渡区的弹性常数,采用广义自洽方法(GSCM),根据水泥砂浆内部的微细观结构,建立了由水泥浆基体、岩石离散夹杂(骨料)、界面过渡区(ITZ)和有效弹性材料组成的四相复合材料模型.推导了界面相的体积模量和剪切模量方程.利用已知水泥砂浆材料的实验数据,计算了界面相的弹性常数.发现界面相剪切模量约为水泥浆基体剪切模量的50%.     

滑动界面球形夹杂对平面压缩波的散射

非理想粘结界面对多相材料力学性能的影响日益受到重视。本文研究了无限各向同性基体中的滑介面球形单夹杂对平面压缩的散射问题。夹杂与基体间的界面为非理想粘结界面,在剪应力的作用下将出现界面两侧相对滑移。假定界面相对滑动位移与界面剪应力成正比,在这种线弹簧型滑动界面条件下,通过波函数的级数展开法,获得了夹杂在基体中反射波和折射波以及应力场的解析表达式,并讨论了界面自由滑动和刚性夹杂等特例。     

一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法

界面在颗粒增强复合材料中起到传递载荷的关键作用, 界面性能对复合材料整体力学行为产生重要影响. 然而由于复合材料内部结构较为复杂, 颗粒与基体间的界面强度和界面断裂韧性难以确定, 尤其是法向与切向界面强度的分别预测缺乏有效方法. 本文以氧化锆颗粒增强聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料为研究对象, 提出一种预测颗粒增强复合材料界面力学性能的新方法. 首先, 实验获得纯PDMS基体材料及单颗粒填充PDMS试样的单轴拉伸应力$\!-\!$应变曲线, 标定出PDMS基体材料的单轴拉伸超弹性本构关系; 其次, 建立与单颗粒填充试样一致的有限元模型, 选择特定的黏结区模型描述界面力学行为, 通过样品不同阶段拉伸力学响应的实验与数值结果对比, 分别给出颗粒与基体界面的法向强度、切向强度及界面断裂韧性; 进一步应用标定的界面力学参数, 开展不同尺寸及不同数目颗粒填充试样的实验与数值结果比较, 验证界面性能预测结果的合理性. 本文提出的界面力学性能预测方法简便、易操作、精度高, 对定量预测颗粒增强复合材料的力学性能具有一定帮助, 亦对定量预测纤维增强复合材料的界面性能具有一定参考意义.      

非理想界面对三相复合材料应力场的影响

对非理想界面的三相复合材料,提出了计算弹性应力场的微观力学模型,在适当的简化假设下,对带界相的颗粒增强和纤维增强复合材料,得到了应力场的计算公式。以剪切载荷为例给出了数值例子。给出的数值结果表明非理想界面对三相复合材料应力场的影响。     

SH波对界面圆柱形弹性夹杂散射及动应力集中

运用Ｇｒｅｅｎ函数法求解ＳＨ波对界面圆柱形弹性夹杂的散射。首先,给出含有半圆柱形弹性夹杂的弹性半空间表面上任意一点、承受时间谐和的出平面线源荷载作用时的位移函数。其次,取该位移函数作为Ｇｒｅｅｎ函数,推导出定解积分方程。最后,给出介质参数对界面圆柱形弹性夹杂的动应力集中系数的影响。     

径向非均匀介质中圆形夹杂的动应力分析

基于复变函数理论,研究了径向非均匀弹性介质中均匀圆夹杂对弹性波的散射问题. 介质的非均匀性体现在介质密度沿着径向按幂函数形式变化且剪切模量是常数. 利用坐标变换法将变系数的非均匀波动方程转为标准亥姆霍兹(Helmholtz) 方程. 在复坐标系下求得非均匀基体和均匀夹杂同时存在的位移和应力表达式. 通过具体算例分析了圆夹杂周边的动应力集中系数(DSCF). 结果表明:基体与夹杂的波数比和剪切模量比,基体的参考波数和非均匀参数对动应力集中有较大的影响.      

中空纳米微球填充复合材料的有效力学性能

中空纳米微球可作为复合材料填充体使用. 与相同粒径下的实心纳米颗粒相比,中空纳米微球密度更低,存在表/界面应力效应的面积更大,由此导致的不同力学行为值得人们关注和研究. 目的是研究表/界面应力对中空纳米微球填充复合材料力学行为的影响. 首先,基于广义自洽原理,利用考虑表/界面应力影响的四相球模型导出了中空纳米微球填充复合材料在单向载荷作用下的弹性场,获得了纳米复合材料有效弹性模量的闭合形式解. 然后,分析了纳米复合材料存在的尺度相关性. 算例结果表明,有效弹性常数和环向应力与经典解答不同, 取决于表/界面性能、纳米中空微球粒径和壁厚. 该结论对于中空纳米微球复合材料具有指导意义.      

单侧摩擦约束夹杂物的瞬态弹性波散射的时域边界元分析--反平面情况

应用时域边界元法研究了瞬态SH波对单侧摩擦约束夹杂物的散射问题，假设摩擦遵守库仑定量，当入射SH波足够强时界面会出现局部滑移，发现了一种有效的迭代技术以确定边界上的未知区域（滑移和粘着区）。算例计算了无限域中圆柱埋置夹杂物对瞬态SH波的散射问题。     

非理想界面弹性层/压电柱结构中SH波的传播特性

研究了各向同性弹性层与压电柱之间非理想连接时沿周向传播的SH波的频散特性.弹性层表面力学自由;弹性层与压电柱之间应力连续、位移间断.通过求解控制方程,将问题的解用Bessel函数表示,利用界面条件和边界条件得到频散方程,然后对其进行数值求解,分析了界面性态、材料常数和几何尺寸对SH波传播特性的影响.     

面向剪切下各向异性三相椭圆夹杂中均匀应力

论证了只要合适选择中间界面层的弹性常数，各向异性线弹性固体在远场均匀反平面剪切应力作用下三相椭圆夹杂内椭圆上仍存在均匀应力场。讨论了内外两椭圆除过其中心相同外无其它任何几何限制条件。所给出的数值算例显示出该结论的正确性。该方法为纤维增强复合材料的设计提供了一条新途径。     

缺陷岩体中弹性波传播的多次散射效应分析

弹性波在岩体中传播时与岩体缺陷相互作用形成复杂的传播图案。为研究缺陷对弹性波多次散射作用的影响,建立了双椭圆缺陷模型,基于Green函数基本解,采用边界积分的计算方法,得到了反映缺陷界面条件的刚度矩阵,分析了弹性波在双椭圆缺陷间的多次散射效应。结果表明：与单椭圆缺陷模型相比,双缺陷的相互作用使得弹性波频散和衰减效应增强,定量给出了缺陷的影响区域,从而明确了多次散射效应的尺度界限。进一步探讨了弹性波传播的多尺度效应,结果表明频散的Rayleigh峰、Mie峰和衰减的峰值频率同椭圆长轴和入射波波长两个尺度密切相关,存在明确的定量关系。相应的数值模拟结果表明,弹性波和缺陷相互作用在缺陷界面上诱发界面波,该界面波也存在频率相关性,影响了弹性波宏观传播的频散和衰减特征。     

弱界面异质球形夹杂本征应变问题的解析解

本文研究了具有线弹簧弱界面的异质球形夹杂的本征应变问题，所采用的线弹簧界面模型既能界面的切线方向滑动，又能考虑界面的法线方向张开，根据叠加原理、原问题的弹性场可分成三部分；二部分由真实均匀本征应变所引起，另一部分由等效的非均匀本征应变所引起，后一部分则由虚拟的Ｓｏｍｉｇｌｉａｎａ位错场所产生。本文求得了等效非均匀本征应变和虚拟位错场的Ｂｕｒｇｅｒ矢量的解析表达式，进而确定的问题的弹性场。     

各向异性介质的弹性波散射问题的边界元方法

本文引用加权残数法建立了各向异性介质内含任意形式异质夹杂时的散射问题的边界积分方程式,导出了相应的辐射条件,计算了内含圆柱体,椭圆柱体、界面裂纹情形下对SH 波的散射位移场、应力场以及散射横截面.数值结果表明本方法用于解答各向异性介质的弹性波散射问题具有良好的精度和应用前景.     

基于扩展有限元法的颗粒增强复合材料静态及动态断裂行为研究

运用不含裂尖增强函数的扩展有限元法,分别研究了静态及动态载荷作用下颗粒增强复合材料的断裂行为。假定基体和颗粒都为线弹性材料并且绑定完好,研究了不同颗粒位置、数量对基体裂纹尖端断裂参数的影响。数值模拟结果清晰地显示了含刚性颗粒和柔性颗粒时不同的失效机制。结果同时证明本文采用的数值方法能够准确预报颗粒增强复合材料的断裂行为,也更易于被工程界所接受     

颗粒增强复合材料有效性能的三维数值分析

将细观力学和计算力学方法相结合用以确定复合材料中的局部和平均应力－应变场．对旋转体和非旋转体颗粒增强复合材料的有效模量进行了三维有限元数值计算，数值与实验结果对比表明，该方法是有效的、可靠的．分析了颗粒的排列分布、颗粒取向和颗粒的几何形状对有效模量的影响．数值结果表明，颗粒的排列对有效轴向弹性模量影响较大．颗粒的取向和颗粒的形状对有效性能的影响也是显著的     

双周期圆柱形压电夹杂反平面问题的精确解及其应用

研究无限压电介质中双周期圆柱形压电夹杂的反平面问题.借鉴Eshelby等效夹杂原理,通过引入双周期非均匀本征应变和本征电场,构造了一个与原问题等价的均匀介质双周期本征应变和本征电场问题.利用双准周期Riemann边值问题理论,获得了夹杂内外严格的电弹性解.作为压电纤维复合材料的一个重要模型,预测了压电纤维复合材料的有效电弹性模量.