金瓷双材料力学行为的现代光力学实验研究

金瓷修复体兼具金属强度及陶瓷美观的优点,在口腔医学上得到了广泛应用,但临床上时有发生脱瓷并且又多发生在界面处,针对这种情况,通过研究不同层厚比的金瓷修复体试件梁的界面力学行为,以分析其破坏机理。采用云纹干涉法和电子散斑法对界面具有缺陷形式的试件进行了实验研究。得到裂纹尖端及界面处的位移场,计算了界面断裂强度等参量,并给出了试件制备、实验方法。实验结果表明不同层厚比的试件以及不同界面缺陷形式的试件对抵抗破坏能力均有不同影响;现代光力学实验方法对研究具有小变形的双材料结构力学行为可行、有效。     

电子散斑干涉法在研究双材料界面力学行为中的应用

对于复合材料，界面往往是重要的组成部分，也是缺陷极易发生甚至断裂破坏的地方，从而影响材料整体的力学行为。为了考察不同界面缺陷形式以及材料层厚对界面力学行为的影响，应用电子散斑干涉法对金属基上烤瓷的双材料试件进行了实验研究，部分试件与云纹干涉法结果也进行了比较。实验结果表明具有垂直界面裂纹的试件梁抵抗破坏能力大大削弱，而界面处无缺陷的力学性能较好，其中又以金属层与烤瓷层厚比在3附近的较为理想，实验也表明电子散斑干涉法适用于测量绝对或相对微小的位移，灵敏度达到微米级。     

石墨烯与柔性基底界面载荷传递的拉曼光谱实验

本文研究了CVD制备的大尺寸石墨烯与柔性PET基底在拉伸变形过程中切向界面载荷传递的问题,采用原位拉曼光谱实验给出了加载过程中石墨烯的正应变、正应力以及界面切应力的分布曲线。分析表明,石墨烯与PET基底间的载荷传递存在四个阶段,分别是初始阶段、粘附阶段、滑移阶段和界面脱粘破坏阶段。在此基础上,本文对50μm、140μm、270μm和600μm四种尺寸石墨烯试件的界面力学性能进行测量,得到了不同尺寸石墨烯试件的界面力学性能参数,并初步给出了基底变形引起的石墨烯切向界面粘接能的变化,同时分析了试件尺寸对石墨烯界面力学性能的影响。实验结果表明,石墨烯材料和柔性基底最大切应力与临界脱粘切向界面粘接能等界面强度指标受到尺寸的显著影响,尺寸越小切向界面强度越高,反之,尺寸越大则越低。     

均匀热荷载作用下层合简支梁的弹性力学解

基于二维热弹性力学理论,研究均匀热荷载作用下层合简支梁的弹性力学解.首先导出均匀温度场中满足控制微分方程和两端简支边界条件的单层梁的弹性力学解,然后利用层间界面位移和应力必须连续的条件,递推得到底层梁与顶层梁间的位移和应力关系.最后根据层合梁上下表面的边界条件确定待定系数,带回递推公式得到整个层合梁的应力和位移分布.本文方法的计算结果有很好的收敛性.与有限元软件的结果对照说明了本文方法的精确性.最后,研究了不同的变温对层合简支梁的位移和应力的影响,结果显示每个层间界面在x方向的应力是不连续.随着温度的升高,梁的最大位移相应地增大.温度越高,位移沿厚度变化的速率越大.     

高温超导带材超导涂层局部脱黏后的电磁力学行为分析

高温超导带材因其高载流z能力、低交流损耗等优点, 在超导领域得到了广泛的关注, 然而在带材的应用中出现的力学问题严重阻碍了其应用. 基于此, 本文分析了受外部磁场激励YBCO高温超导带材在超导层局部脱黏后的电磁力学响应. 基于超导临界态Bean模型和弹性力学平面应变方法, 给出了超导薄膜内正应力与基底界面处切应力相关联的控制方程, 基于数值方法研究了超导薄膜内的正应力及基底界面处的切应力随外部磁场的变化规律. 结果显示: 在脱黏区域附近, 超导薄膜内的正应力和基底$\!-\!$薄膜界面处的切应力急剧增大, 该正应力及切应力极易引起超导层的进一步脱黏. 同时, 剪切应力在结构边缘处出现极值. 基底材料的属性, 特别是杨氏模量对结构内的应力影响显著, 在软基底材料结构中, 超导薄膜内将出现较大的正应力, 而基底材料较硬时, 在基底$\!-\!$薄膜界面处将出现较大的剪切应力, 这些因素均会引起超导涂层结构的力学及电学性能的退化. 本文研究可望为超导带材的加工制备及脱黏的处理提供一定的理论指引.      

微纳米尺度膜/基结构界面性能的实验研究

为了研究铜膜/有机玻璃结构的界面性能,首先对沉积在有机玻璃基底上300nm厚的铜膜进行了单轴压缩实验,部分区域的薄膜因屈曲而脱离基底。选择在膜/基粘接良好区域、膜/基脱粘区域分别进行等位移纳米压痕实验。利用膜/基粘接良好区域处硬度/弹性模量与压痕位移的关系来确定膜/基结构的临界脱粘位移。基于宏观力学中表征界面性能的能量法,利用两个区域等位移的塑性功差值来确定界面能量释放率。研究结果表明:当压痕位移约450nm时,膜/基结构开始出现界面脱粘,实验测得铜膜/有机玻璃结构的界面能量释放率值在6.81~10.32J/m2之间。     

考虑界面损伤层合梁板的层间应力分析

基于精确应力分析的广义六自由度板理论，应用变分原理和损伤力学中 的应变等效原理，考虑复合材料铺设层内和层间界面处的损伤效应，建立了具两种损伤模式 的复合材料层合板的三维非线性平衡微分方程，且运用有限差分法对考虑损伤简支层合梁板 的层间应力进行了求解.     

缝合复合材料层间开裂的试验和数值研究

缝合复合材料层合板中贯穿厚度方向的缝线,能有效增强层合板的抗分层能力。本文对一种碳纤/环氧缝合复合材料层板进行了短梁三点弯试验,测得了压头的载荷-位移曲线,并观察了层间裂纹的扩展,证实了缝线对层间裂纹的阻滞作用。建立了三维有限元模型模拟了上述试验,模型中相邻的铺层之间布置了一层初始无厚度的界面单元,界面单元的失效自然模拟层间开裂,而缝线简化为面积等效的梁单元,数值结果与试验观测吻合。     

弱界面端初始失效位置的试验初探

通过双材料受压试验研究了弱奇异性界面端的界面初始脱粘点的位置问题。实验材料采用钢和有机玻璃,根据弱奇异性要求和界面端应力分布特征,设计、制作了试件,并进行了初始脱粘实验。由实验发现楔形角为30°、45°和55°试件的界面初始脱粘点位置均在界面内部,脱粘是由有限应力引起的。63°是个临界角楔形角,大于63°试件,脱粘多会从界面端开始,即脱粘由奇异的界面应力引起的。此外界面正应力若为拉应力时,它对界面脱粘有很大的贡献。     

钢筋与混凝土粘结本构关系数值模拟

钢筋与混凝土间的粘结本构关系是混凝土结构弹性有限元分析的基础之一.针对这一基本问题,本文提出了通过数值模拟方法研究粘结本构关系的思路.采用不连续介质力学问题的界面元法,编制了在维问题的界面元分析程序,用以对混凝土结构中钢筋与混凝土界面的粘结性能进行细观力学分析.通过对两类测量粘结应力及滑移的典型试件(单端拉拔试件和两端对拉试件)的分析,表明计算结果与试验结果吻合良好.     

一种考虑界面相物性影响的界面单元法

界面是由复杂的界面相简化而成的,界面破坏实际是界面相材料的破坏。数值计算为了方便,如经典模型和内聚力模型等,都把很薄的界面相作无厚度化处理。导致只能考虑界面的面力,而无法考虑界面相内的应力(平行于界面方向的应力)。使界面失效准则先天性地排除了界面相内部应力的影响,从界面相材料失效机理的角度来看这是不够严谨的。本文将界面相材料等效为一种弹性连续体,由界面本构关系推导得到了一种新的界面单元。该单元具有界面参数易确定、对界面相物性可以进行等效描述等优点。通过商用有限元软件ABAQUS和用户子程序UEL实现了数值分析,并与直接物理模型的数值模拟结果进行对比,证明了本方法的简便及准确性。通过对不同界面相厚度结构的进一步分析,探讨了本文方法的可行范围。     

ANALYSIS OF CRACK-TIP SINGULARITIES FOR AN INTERFACIAL PERMEABLE CRACK IN METAL/PIEZOELECTRIC BIMATERIALS

By modeling metal as a special piezoelectric material with extremely small piezoelec- tricity and extremely large permittivity,we have obtained the analytical solutions for an interfacial permeable crack in metal/piezoelectric bimaterials by means of the generalized Stroh formalism. The analysis shows that the stress fields near a permeable interfacial crack tip are usually with three types of singularities:r~(-1/2 iε)and r~(-1/2).Further numerical calculation on the oscillatory indexεare given for 28 types of metal/piezoelectric bimaterials combined by seven commercial piezoelectric materials: PZT-4,BaTiO_3,PZT-5H,PZT-6B,PZT-7A,P-7 and PZT-PIC 151 and four metals:copper,silver,lead and aluminum,respectively.The explicit expressions of the crack tip energy release rate(ERR)and the crack tip generalized stress intensity factors(GSIF)are obtained.It is found that both the ERR and GSIF are independent of the electric displacement loading,although they seriously depends on the mechanical loadings.     

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF STRENGTH,TOUGHNESS AND FAILURE MECHANISM OF THE METAL/EPOXY/METAL ADHESIVE SYSTEM

本文系统地开展了金属/环氧/金属胶结体系的强韧机理及失效行为实验研究,针对铝合金圆棒与铝合金圆棒通过环氧树脂胶层的各种斜截面方向粘结,实验观测了该体系的拉伸变形和失效行为,测量了界面失效载荷对胶层厚度和粘结界面倾斜角的依赖关系;通过引入胶结界面平均正应力、平均剪应力、平均正应变、平均剪应变等概念,可对界面失效强度进行测量,获得界面强度与界面粘结角度以及胶层厚度的关系,进而获得了铝合金/环氧胶层/铝合金体系的强度失效面以及胶结界面的断裂能和胶结体系的能量释放率.上述研究结果为深入认识金属胶结体系的强韧性能和失效机制提供了科学依据,对金属胶结体系的优化设计和性能评判具有重要指导意义.研究结果表明,铝合金/环氧胶层/铝合金体系的拉伸失效总体呈弹脆性破坏特征,失效表现为胶层粘结界面的断裂,失效强度和界面断裂能在胶层厚度为百微米量级时表现出强烈的尺度效应：界面粘结强度随着胶层厚度的减小而显著增大,临界状态的平均正应力和平均剪应力在强度破坏面上近似位于同一圆上,界面断裂能随着胶层厚度的减小而显著减小;与此同时,界面失效强度和界面断裂能也密切依赖于界面粘结角度.     

基于辛弹性力学解析本征函数的有限元应力磨平方法

在实际工程结构的结构强度与优化等力学数值分析中,应力计算结果的精度是非常重要的。有限元法是得到最广泛应用的一类数值方法,并形成了众多通用的有限元程序系统。这些程序系统采用的几乎都是基于最小总势能的位移法,虽然其分析给出的有限元位移场具有较高的精度,但所得到的有限元应力场的精度较位移场大大降低。基于极坐标辛对偶体系所提供的平面弹性力学的解析辛本征展开解,并借用有限元程序系统所得到的节点位移,本文提出了一个应力分析的改进方法。数值结果表明,本方法给出的应力分析精度得到大幅提高,并具有良好的数值稳定性,可用于有限元程序系统的后处理,以提高应力尤其是关键区域应力的分析精度。     

Interface models for thin interfacial layers

There have already been several interface models for the analyses of thin interfacial layers in bonded materials. To distinguish their corresponding advantages or limitations, a comparative study is carried out, and a new constitutive-based interface model is proposed. Through numerical examinations, the limitations of typical models are clarified. It is found that the new interface model is an efficient and accurate model, by which both the traction and the displacement jumps across the modelled interface with the thickness of zero are allowed, and the stresses within the interfacial layer can also be analyzed.     

杂交梁界面剪应力的理论分析和数值模拟

采用解析和数值方法研究FRP-混凝土杂交梁的界面应力问题。提出了杂交梁的新的力学模型和假设,克服了以往的分析模型中界面应力表达式非常复杂和界面应力的解析解与数值解相差较大的缺点,本文得到的FRP板加固梁的界面剪应力表达式与数值结果符合很好,并且具有简捷的表达式。利用有限元法研究了杂交梁各物理参数对界面剪应力的影响。研究表明,界面剪应力在FRP板的端部存在应力集中或应力奇性,这是造成杂交梁界面破坏的主要原因。这项研究对进行杂交结构的工程设计具有理论指导和参考价值。     

基于p型有限元法和围线积分法计算复合型应力强度因子

传统有限元法由于采用低阶插值计算应力强度因子时,需要划分的网格数较多,收敛速度较慢,得到的应力强度因子精度不足。p型有限元法在网格确定时通过增加插值多项式的阶数来提高计算精度,具有网格划分少、收敛速度快、精度高、自适应能力强等特点。本文采用基于p型有限元法的有限元计算软件StressCheck计算得到应力场和位移场,并由围线积分法导出混合型应力强度因子(SIFs)。通过几个经典算例,分析了围线的选择对计算精度的影响,计算了不同裂纹长度、不同裂纹角度和裂纹在应力集中区域不同位置时的应力强度因子。并将数值结果、理论解与文献中其他数值计算方法所得的部分结果进行了对比分析,结果表明自由度数不大于7000时,导出的应力强度因子相对误差最大不超过1.2%,数值解表现出较高的精度及数值稳定性。     

多孔介质——自由流界面应力跳跃条件下流动特性解析解

对非对称多孔介质--自由流复合通道内多孔介质内部及多孔介质与自由流体界面处复杂质量、动量输运特性进行研究. 在多孔介质区采用Brinkman-extended Darcy模型并结合速度连续,剪切应力跳跃的界面条件对此复合通道内流体的传递现象进行求解,提出了考虑界面应力跳跃时非对称复合通道各区域流体运动速度及摩擦系数的解析式,分析了界面应力跳跃系数,达西数及无量纲多孔层偏心厚度对流体速度及摩擦系数的影响. 结果表明:改变界面性质可在一定条件下明显控制各区域流体速度分布;在达西数、多孔层偏心厚度一定情况下,界面应力系数的增大会使界面流速减小,而使流体摩擦系数增大,特别是界面应力系数小于0的情况下变化更明显,此时若不考虑界面应力系数则会造成较大误差. 当界面应力系数及多孔层偏心厚度均为较小负数值时,改变多孔层偏心厚度对界面速度的影响要大于改变界面应力系数的情况;而当界面应力系数及多孔层偏心厚度为较大正数值时,情况则相反. 较大达西数下,界面应力系数及多孔层偏心厚度对流体摩擦系数的影响均较大,继续减小达西数至一定程度时,界面应力系数对流体摩擦系数的影响可忽略不计而认为只与多孔层偏心厚度相关,且对较大多孔层偏心厚度更敏感.      

薄膜涂层材料中币形界面裂纹的弹性波散射

研究了薄膜涂层材料中币形界面裂纹的弹性波散射问题,建立了含有币形界面裂纹的覆层半空间模型,采用Hankel积分变换,将裂纹对弹性波散射的问题转化为求解矩阵形式的奇异积分方程。结合渐近分析和围道积分技术得到积分方程的解,进一步推导了散射波的应力场和位移场,以及动应力强度因子的理论计算公式。在数值算例中,分析了不同材料组合和裂纹尺寸情况下动应力强度因子与入射波频率的关系,并给出了裂纹张开位移的结果。为薄膜涂层材料的动态破坏分析提供了一定的理论基础。     

Numerical analysis for a crack in piezoelectric material under impact

In this paper, a numerical analysis of impact interfacial fracture for a piezoelectric bimaterial is provided. Starting from the basic equilibrium equation, a dynamic electro-mechanical FEM formulation is briefly presented. Then, the path-independent separated dynamic J integral is extended to piezoelectric bimaterials. Based on the relationship of the path-independent dynamic J integral and the stress and electric displacement intensity factors, the component separation method is used to calculate the stress and electric displacement intensity factors for piezoelectric bimaterials in this finite-element analysis. The response curves of the dynamic J integral, the stress and electric displacement intensity factors are obtained for both homogeneous material (PZT-4 and CdSe) and CdSe/PZT-4 bimaterial. The influences of the piezoelectricity and the electro-mechanical coupling factor on these responses are discussed. The effects of an applied electric field are also discussed.