陶瓷基复合材料基体唇形裂纹失效规律研究

建立横向拉伸载荷下的唇形裂纹数学模型,采用复变函数的方法,通过保角映射,推导了唇形裂纹尖端应力场和位移场的解析解,建立了唇形裂纹的应力强度因子准则和最大能量释放率准则,结合算例分析陶瓷基复合材料基体唇形裂纹的几何参数、外载荷和纤维分布对失效准则的影响规律.结果 表明,(1)裂纹尖端应力场和位移场的解析解与有限元计算结果...     

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。     

涂层/基体材料界面结合强度测量方法的现状与展望

界面结合强度是涂层/基体材料体系中的一项重要力学性能指标.而表征与评价涂层/基体材料的界面结合强度又得依靠实验 方法的测定.由于涂层/基体材料体系的多样性与复杂性, 至今还没有形成适合于测量这类材料的界面结合强度的标准方法. 目前, 常用来测量涂层/基体材料的界面结合强度的方法有：拉伸法、剪切法、弯曲法、划痕法、压入法等.本文就目前表征 与评价涂层/基体材料界面结合强度的测量方法做了综述, 讨论了它们的适用范围, 比较了它们的优势与不足.     

基于小波包能量特征的薄膜涂层材料界面缺陷检测法

目前国际上对薄膜涂层界面缺陷尚缺乏有效的探伤方法.本文基于薄膜涂层材料中波传播的模型,考察了在涂层表面施加冲击脉冲激发表面波,测取涂层表面各点的动态特性,结合波形分析技术进行界面缺陷检测的可行性.通过有限元模拟分析产生脉冲载荷并且激发表面波,对涂层表面接收的加速度波响应信号进行小波包数学变换,提取小波包相对能量谱变化率指标,发现加速度信号的小波包相对能量谱变化率指标在存在界面缺陷的区域有显著的变化,并且在缺陷中心区域效果最明显,而且该指标对不同薄膜厚度界面缺陷的具有敏感性,可以通过该指标较准确的判断裂纹的位置和尺寸.此项研究可以为开发薄膜涂层界面缺陷的无损检测方法提供一定的理论基础.     

风沙冲击作用下涂层与基体界面应力、位移及破坏机理研究

应用界面力学镜像点法及断裂力学理论分析了风沙冲击作用下钢结构表面涂层与基体的界面问题。分析结果表明:冲击角度一定时,界面应力随着冲击速度的增大而增大;冲击速度一定时,界面正应力在冲击点附近较大,在冲击角度为45°时最大;界面切应力在冲击角度为30°时达到最大;冲击角度一定时界面位移随着冲击速度的增大而增大,界面水平位移在冲击角度为30°时最大,冲击速度一定时界面垂直位移随着冲击角度的增大而增大。界面破坏机理是因为界面存在应力集中现象,易发生破坏,切向破坏较为严重。     

压电螺位错与含界面裂纹圆形涂层夹杂的干涉

研究位于基体或夹杂中任意点的压电螺型位错与含界面裂纹圆形涂层夹杂的电弹耦合干 涉问题. 运用复变函数方法,获得了基体,涂层和夹杂中复势函数的一般解答. 典型例 子给出了界面含有一条裂纹时,复势函数的精确级数形式解. 基于已获得的复势函数和广 义Peach-Koehler公式,计算了作用在位错上的像力. 讨论了裂纹几何条件,涂层厚度和材 料特性对位错平衡位置的影响规律. 结果表明,界面裂纹对涂层夹杂附近的位错运动有很大 的影响效应,含界面裂纹涂层夹杂对位错的捕获能力强于完整粘结情况;并发现界面裂纹长 度和涂层材料常数达到某一个临界值时可以改变像力的方向. 解答的特殊情形包含了以 往文献的几个结果.     

风沙冲击作用下钢结构表面涂层与基体界面应力研究

在应用接触力学分析风沙冲击钢结构表面涂层的动力基础上,应用界面力学镜像点法分析涂层基体界面应力,并计算分析风沙冲击作用下涂层与钢结构界面应力。分析结果表明：界面正应力随着冲击速度的增大而增大,界面正应力在冲击点附近较大,越远离冲击点越小,在冲击点处,界面正应力随着冲击角度的增大而增大,90°时达到最大,当离冲击点有一定距离时,界面正应力在45°时达到最大。界面剪应力也随着冲击速度的增大而增大,且界面剪应力在冲击角度为30°时达到最大值,界面剪应力在离冲击点距离x=1mm的界面处,界面剪应力达到最大值,当x≤1mm时,界面剪应力随着x的增大而增大,当x＞1mm时,界面的剪应力随着x的增大而减小。     

热障涂层-基体体系界面高温疲劳和断裂性能的实验研究

热障涂层(TBCs)作为发动机叶片的热防护涂层,能够显著提高叶片在高温环境下的使用寿命.本文围绕TBCs-镍基高温合金基体体系的界面性能,展开了比较系统的实验研究.通过实验方法得到了等温热处理前后陶瓷层的弹性模量、硬度及陶瓷层-粘结层界面的微结构的变化.结果显示,随着等温热处理时间的增加,弹性模量及硬度先增加后降低;氧化层随等温热处理时间和温度的增加逐渐增厚.利用本文提出的多相位角界面断裂韧性试验方法,建立了以应力强度因子为表征参数的TBCs界面失效准则.在假定界面间为粘性接触的条件下,预测了界面承载能力随陶瓷层弹性模量和氧化层厚度的变化趋势.通过热循环实验研究了TBCs-基体体系的热疲劳性能及失效机理.随着热循环高温保温时间的增加,热疲劳寿命先升高后降低,失效模式由界面失效转化为界面失效与陶瓷层失效并存;体系的失效由陶瓷层及氧化层的应变能密度、陶瓷层、氧化层及界面的断裂韧性,以及它们和界面微结构缺陷的相互作用共同决定.     

粘弹性胶层中Ⅰ型裂纹的动态扩展

研究粘弹性胶层中Griffith裂纹在Ⅰ型载荷作用下,裂纹尖端动态应力强度因子和能量释放率的时间响应.首先,利用积分变换方法,推导出粘弹性层的控制方程组;其次,引入位错密度函数,并结合边界条件和界面连接条件,导出反映裂纹尖端奇异性的Cauchy型奇异积分方程组,然后,应用Chebyshev正交多项式化奇异积分方程组为代数方程组,并采用Schmidt方法对其数值求解,最后,经过Laplace逆变换,求得动态应力强度因子和能量释放率的时间响应.通过对材料参数的讨论,得到动应力强度因子和能量释放率随剪切松驰参量的减小而增大,随膨胀松弛参量的减小而减小,弹性参数对其影响较小.     

界面压入法测定涂层结合强度的实验研究与理论分析

采用具有新颖性的涂层压入仪，在涂层与基体之间的界面压入，可测得压入过程中载荷与压入深度的关系曲线和界面开裂的临界载荷Ｐｗ，此值可反映涂层结合强度。界面压入法适合于评价高结合强度的涂层。根据能量守恒和转化原理，并结合Ｇｒｉｆｉｔｈ处理裂纹问题的思路，可得到结合应力表达式。在具体处理上采用数值计算与实验相结合的方法来近似处理，由此可得到结合应力值。     

Investigation on behavior of crack penetration/deflection at interfaces in intelligent coating system

Based on the three-phase model, the propagation behavior of a matrix crack in an intelligent coating system is investigated by an energy criterion. The effect of the elastic mismatch parameters and the thickness of the interface layer on the ratio of the energy release rate for infinitesimal deflected and penetrated crack is evaluated with the finite element method. The results show that the ratio of the energy release rates strongly depends on the elastic mismatch α1between the substrate and the driving layer.It also strongly depends on the elastic mismatch α2between the driving layer and the sensing layer for a thinner driving layer when a primary crack reaches an interface between the substrate and the driving layer. Moreover, with the increase in the thickness of the driving layer, the dependence on α2gradually decreases. The experimental observation on aluminum alloys monitored with intelligent coating shows that the established model can better explain the behavior of matrix crack penetration and can be used in optimization design of intelligent coating.     

涂层/基体体系的界面应力分析

针对热防护涂层的承载特征,建立了涂层、基体体系的平面应变模型.以均匀应变差比拟热膨胀失配,基于最小功原理,推导了完整涂层/基体界面应力的级数解.分析结果表明,在自由端面附近,界面应力集中明显,其峰值达到了与涂层内拉应力相当的量级.涂层膨胀或收缩,界面正应力分别呈现压应力或拉应力状态,界面剪应力也发生方向交变.     

一种XFEM断裂分析的裂尖单元新型改进函数

提出了一种适用于裂尖改进单元的新型改进函数, 基于三角变换的方法, 保留裂纹尖端场的应力奇异性和裂纹上、下表面的位移不连续性, 将常规扩展有限元法裂尖改进单元的4 项改进函数缩减为2 项, 裂尖改进单元的结点由常规的8 个改进自由度减少为4 个. 采用2 个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面, 详细阐述了改进单元类型的判别方法, 给出一种改进单元的分区域积分方案. 最后, 若干断裂力学问题经典算例的数值计算结果表明:建议的裂尖改进函数具有较高的数值精度, 该方法是十分有效的.     

THE NMM-BASED EFG METHOD AND SIMULATION OF CRACK PROPAGATION

数值流形方法（numerucal manifold method,NMM）通过引入数学覆盖和物理覆盖两套系统来统一处理连续和非连续问题. 通过用移动最小二乘插值（moving least squares interpolation,MLS）中的节点影响域构造数学覆盖,得到了基于数值流形方法的无网格伽辽金法（element free Galerkin,EFG）. 该方法在保证前处理简单的同时,又能方便处理如裂纹等不连续问题. 建立了适用于小变形和大变形的裂纹扩展计算格式,并通过对曲折裂纹（kinked crack）的处理,在不加密的情况下实现了任意小步长的裂纹扩展,大大提高了在固定网格中模拟裂纹扩展的实用性. 大小变形的结果对比表明,按照不考虑构型变化的小变形计算,结果可能偏于危险.     

CRACK FACE CONTACT PROBLEM ANALYSIS USING THE SCALED BOUNDARY FINITE ELEMENT METHOD

比例边界有限元侧面上有任意荷载时,将侧面载荷分解成关于径向方向局部坐标的多项式函数的和,推导给出了考虑侧面载荷存在的新型形函数,并基于该形函数推导了刚度矩阵和等效节点载荷列阵.首次对比例边界有限元法求解裂纹面接触问题进行了研究,运用Lagrange乘子引入接触界面约束条件,推导给出了比例边界有限元求解裂纹面接触问题的控制方程.将裂纹面单元分为非裂尖单元和含有侧面的裂尖单元.在非裂尖单元中的裂纹面,裂纹面作为多边形单元的边界,边界上的接触力可等效到节点上,通过在节点上构造Lagrange乘子,采用点对点接触约束进行处理.对于含有侧面的裂尖单元,在整个侧面上构造Lagrange乘子的插值场,采用边对边接触约束进行处理.对三个不同的接触约束状态下的算例进行了数值计算,通过与解析解及有限元软件ABAQUS计算结果的对比,验证了本文提出的比例边界有限元点对点和边对边接触求解裂纹面接触问题的精确性与有效性.     

NUMERICAL SIMULATION OF CRACK GROWTH IN BRITTLE MATRIX OF PARTICLE REINFORCED COMPOSITES USING THE XFEM TECHNIQUE

Crack growth in particle reinforced composites is significantly influenced by the character of the reinforcement particles.To accurately deal with such problems,the extended finite element method (XFEM...     

CRACK INTERACTING WITH AN INDIVIDUAL INCLUSION BY THE FRACTURE CRITERION OF CONFIGURATIONAL FORCE

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂（圆孔、软夹杂、硬夹杂）干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45°时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

AN APPLICATION OF THE CBS SCHEME IN THE FLUID-MEMBRANE INTERACTION

提出了一种不可压缩流体与弹性薄膜耦合问题的特征线分裂有限元解法. 首先, 给出了流场和结构的控制方程. 然后, 对流场、结构以及流固耦合的具体求解过程进行了描述. 其中, 流场求解采用改进特征线分裂方法和双时间步方法相结合的隐式求解方式, 并利用艾特肯加速法对每个时间步的迭代收敛过程进行了加速处理;结构部分的空间离散和时间积分分别采用伽辽金有限元方法和广义方法, 并通过牛顿迭代法对所得非线性代数方程组进行了求解;流场网格的更新采用弹簧近似法;流场、结构两求解模块之间采用松耦合方式.最后, 采用该方法对具有弹性底面的方腔顶盖驱动流问题进行了求解, 验证了算法的准确性和稳定性.此外, 计算结果表明艾特肯加速法可以显著地提高双时间步方法迭代求解过程的收敛速度.     

裂纹尖端弹塑性变形的实验测量与有限元计算

用显微网格数字图像处理方法，测量了Ｆｅ－Ｓｉ材料平面应力条件下Ⅰ型单边裂纹尖端附近的应变场，并且用弹塑性有限元程序进行了数值模拟。对实测结果和有限元计算模拟结果进行了对比分析。结果表明：逐级更新拉格朗日坐标体系下的弹塑性有限元计算在裂纹尖端不出现严重钝化和损伤的条件下，可以正确反映裂尖区域的弹塑性变形。在裂纹接近临界扩展时，有限元计算与实测结果之间有较大差别，其原因有待进一步研究。     

共线式热电发电机在侧面散热情况下的性能

热电材料是一种环境友好型功能材料,其可以实现热能与电能的相互转化,在热电发电、热电制冷中具有许多应用.传统的热电发电机为$\pi$型结构,要求热电腿的长度相等,在某些情况该结构不利于热电发电机的优化设计.热电发电机在高温工况下会引起强烈的热应力甚至应力集中,从而缩短了其工作寿命.另外,热电发电机的工作温度于环境温度,这样必然会有一部分热量散失到环境中,从而影响热电发电机的性能.针对该现象,本文建立了考虑散热的新型共线式热电发电机模型,该模型的热电腿可以独立进行优化,基于有限元方法,对考虑侧面散热的共线式热电发电机进行了仿真模拟,分析了其在狄利克雷边界条件下的热电性能和力学性能,得到了热电发电机的温度场、电势场、应力场,探究了不同强度的对流散热系数对热电发电机热电性能和力学性能的影响.结果表明,对流散热会降低热电发电机的能量转化效率,当对流换热系数达到~100W/(m$^{2}\cdot$\textcelsius) 时,效率为~0.0479,该值比绝热状态的转化效率0.066 7 低28%.对流散热使热电发电机侧面热损失增加,降低了热应力.在实际应用中,应合理优化设计隔热系统,提高能量的转化效率.