材料断裂内聚力区牵引-分离曲线的测量方法研究

内聚力模型是模拟复合材料界面分层、脱粘等力学行为的有效工具。本文分别提出了改进的直接测量法和交互M积分反解法来测量材料的内聚力区牵引-分离关系曲线。在紧凑拉伸断裂力学实验的有限元数值模型中,分别应用两种方法测取了内聚力模型的牵引-分离曲线。通过与有限元数值解和交互J积分反解法的比较,验证了方法的准确性。本文以20%和49%纤维体积含量的随机云杉短纤维增强聚丙烯复合材料(云杉/PP)为例,分别应用改进的直接测量法、交互M积分反解法和交互J积分反解法得到了该材料内聚力区的牵引-分离曲线。三种方法结果的对比验证表明:三种方法得到的牵引-分离曲线变化趋势一致,曲线所反映的材料内聚力区强度、初始损伤和完全破坏分离量大小以及断裂的能量释放率等主要内聚力参数能够吻合,它们的测取结果都能够完整地描述内聚力区材料的力学行为。     

功能梯度压电压磁材料粘结的Ⅲ型裂纹问题

利用奇异积分方程方法研究两个半无限大的功能梯度压电压磁材料粘结,在渗透和非 渗透边界条件下的III型裂纹问题. 首先通过积分变换构造出原问题的形式解,然 后利用边界条件通过积分变换与留数定理得到一组奇异积分方程, 最后利用Gauss-Chebyshev方法进行数值 求解,讨论材料参数、材料非均匀参数以及裂纹几何形状等对裂纹尖端应力 强度因子的影响. 从结果中可以看出,压电压磁复合材料中反平面问题的应力奇异性 形式与一般弹性材料中的反平面问题应力奇异形式相同,但材料梯度参数对功能梯度压电压 磁复合材料中的应力强度因子和电位移强度因子有很大的影响.     

纳米夹杂复合材料的有效反平面剪切模量研究

基于Gurtin-Murdoch表面/界面理论模型,利用复变函数方法,获得了考虑夹杂界面应力时夹杂/基体/等效介质模型的全场精确解,发展了能够预测纳米夹杂复合材料有效反平面剪切模量的广义自洽方法,给出了复合材料有效反平面剪切模量的封闭形式解。数值结果显示：当夹杂尺寸在纳米量级时,复合材料的有效反平面剪切模量具有尺度相关性,随着夹杂尺寸的增大,本文结果趋近于经典弹性理论的预测值;夹杂尺寸对于有效反平面剪切模量(本文结果)的影响范围要小于其对有效体积模量与剪切模量(各向同性材料)的影响范围;有效反平面剪切模量受夹杂的界面性能和夹杂刚度影响显著。     

轴对称压—弯下圆板中圆脱层的后屈曲扩展

本文分析了周边承受轴对称压一弯载荷的圆板中薄圆脱层的后屈曲扩展.运用基于四阶龙格-库塔积分公式的打靶法得到无量纲形式Von Karman非线性方程组的单参数解族.利用与路径无关的M积分导出能量释放率表达式并给出相应的数值解.文中还探讨了分叉、跳跃及扩展的可能性.     

基于多项式代理模型的薄膜材料力学参数识别

针对鼓泡方法对具有不同本构关系的薄膜材料力学参数识别方法难以统一的问题,提出了一种基于代理模型的薄膜材料力学参数识别方法。首先,运用多项式代理模型将薄膜材料力学参数与薄膜试件在不同测点的挠度仿真值之间的关系显式化,然后采用改进的鼓泡实验装置测量并获得薄膜试件上各测点的扰度实验值,再以相应的测点多项式代理模型值与实验值之间的相对误差的平方和作为目标函数,采用状态转移算法对材料参数进行反解,获得能表征薄膜的真实材料参数。采用这一方法,对304不锈钢薄膜和橡胶材料进行识别实验,证实了这一方法的有效性和可靠性。因此可以利用本文的方法研究鼓泡实验装置的仪器化,从而为进一步实现薄膜材料力学参数识别方法的统一提供新的思路。     

光纤光栅传感网络应用于玻璃纤维复合材料构件损伤检测的试验研究

将光纤光栅传感网络埋入玻璃纤维复合材料试件后,通过无损试件与有损试件的准静态弯曲对比试验研究,分析了测量过程中反映损伤位置以及损伤程度的光纤光栅参数。然后使用ANSYS有限元软件对其进行数值模拟计算,并将数值模拟的结果与试验测得的结果相对比,验证了应用光纤光栅传感网络利用准静态加载方法测量损伤的可行性以及准确性。本文研究结果可为利用FBG光纤传感网络对实际工程中复合材料结构的在线健康监测提供实验基础。     

梯度材料中矩形裂纹的对偶边界元方法分析

采用对偶边界元方法分析了梯度材料中的矩形裂纹. 该方法基于层状材料基本解,以非裂纹边界的位移和面力以及裂纹面的间断位移作为未知量. 位移边界积分方程的源点配置在非裂纹边界上,面力边界积分方程的源点配置在裂纹面上. 发展了边界积分方程中不同类型奇异积分的数值方法. 借助层状材料基本解,采用分层方法逼近梯度材料夹层沿厚度方向力学参数的变化. 与均匀介质中矩形裂纹的数值解对比,建议方法可以获得高精度的计算结果. 最后,分析了梯度材料中均匀张应力作用下矩形裂纹的应力强度因子,讨论了梯度材料非均匀参数、夹层厚度和裂纹与夹层之间相对位置对应力强度因子的影响.      

周期性复合材料湿热力耦合问题的二阶渐近分析

渐近均匀化方法是一种很好的分析复合材料力学性能的方法。通过建立考虑材料湿热效应的双尺度渐近展开模型,研究了周期性复合材料在湿、热、力耦合作用下的结构响应。将带有小参数的位移渐近展开式代入湿热力耦合控制方程,利用等效积分"弱"变换推导出复合材料等效参数的单胞控制方程以及均匀化方程。为了提高计算精度,本文对均匀化解进行了一阶和二阶修正,利用FreeFem++软件进行了数值模拟。结果显示:双尺度二阶渐近分析能够高效、准确地计算出一系列多场耦合问题,为研究周期性复合材料的力学性能提供了新的方法。     

混凝土材料动态本构参数的分阶段计算反求技术

基于不同应变率下的分离式Hopkinson压杆实验,提出了一种混凝土材料动态本构参数的分阶段反求方法。该分阶段反求方法中,结合不同的实验模型对未知参数进行敏感性分析,并依据敏感程度对参数进行分类,每类参数对应于1组实验,再利用反求方法分阶段确定各类参数,在每一类参数反求时均将上一次反求结果作为已知条件。结果表明,该分阶段反求方法充分利用所有实验的测量响应信息,能快速获取混凝土本构中较难确定的关键参数,为参数的确定提供了一种有效的途径。     

压电压磁复合材料中裂纹对反平面简谐弹性波的散射问题

分析了压电压磁复合材料中裂纹对反平面简谐弹性波的散射问题。利用傅立叶变换,使问题的求解转换为对一对以裂纹表面上的位移差为未知变量的对偶积分方程的求解。为了求解对偶积分方程,把裂纹面上的位移差展开为雅可比多项式形式,进而得到了裂纹长度、入射波波速及入射波频率对裂纹应力强度因子的影响。从数值结果可以看出,压电压磁复合材料中可导通裂纹的反平面问题的动应力奇异性与一般弹性材料中的反平面断裂问题动应力奇异性相同。     

剪切波作用下埋藏刚性椭圆与周围介质部分脱胶时的动力分析

本文利用波函数展开法和奇异积分方程技术研究了ＳＨ型反平面剪切波作用下埋藏刚性椭圆柱与周围介质部分脱胶时的动力特性，将脱胶区看作表面不相接触的椭圆弧形界面裂纹，利用波函数展开法，并引入裂纹位错密度函数为未知量，将问题归结为奇异积分方程。通过数值注解积分方程获得了远场和近场物理参量，度讨论了共振特性和各参数对共振的影响。     

三维体内含垂直于双材料界面混合型裂纹的超奇异积分解法

利用双材料位移基本解和Somigliana公式,将三维体内含垂直于双材料界面混合型裂纹问题归结为求解一组超奇异积分方程。使用主部分析法,通过对裂纹前沿应力奇性的分析,得到用裂纹面位移间断表示的应力强度因子的计算公式,进而利用超奇异积分方程未知解的理论分析结果和有限部积分理论,给出了超奇异积分方程的数值求解方法。最后,对典型算例的应力强度因子做了计算,并讨论了应力强度因子数值结果的收敛性及其随各参数变化的规律。     

非均匀复合材料的动态热弹性断裂力学分析

对非均匀复合材料的动态热弹性断裂力学问题进行了研究,假设材料参数沿厚度方向为变化的,沿该方向将复合材料划分为许多单层,取每一单层材料参数为常数,应用Fourier变换法,在Laplace域内推导出了控制问题的奇异积分方程组,给出了热应力强度因子的表达式,然后利用Laplace数值反演,得出了裂纹尖端的动态应力强度因子．本文的方法具有以下特点：（1）多个垂直于厚度方向的裂纹,（2）材料可以为正交各向异性：（3）考虑了惯性效应．作为算例,研究了带有两个裂纹的功能梯度结构,分析了材料参数的变化对应力强度因子的影响．     

反平面剪切下电磁弹性纤维增强复合材料界面相效应研究

研究具有界面相电磁弹性纤维增强复合材料的反平面剪切问题,利用复变函数方法,获得了无穷域中带界面相纤维问题在远场力、电、磁多场作用下的闭合解,得到了复合材料内部各区域电磁弹性物理量的精确表达式.利用所得结果,考虑纤维和基体间的界面相效应,研究了界面相厚度及弹性模量对复合材料内部应力场、电场强度和磁场强度的影响,数值结果给出了复合材料电磁弹性物理量随界面相参数变化的规律,为该类复合材料的设计与计算提供了有价值的参考.     

断裂过程区应力应变场的数学分析

本文将条状分离区看作是位错连续分布区域,利用复变函数理论及切比雪夫多项式级数展开提出了一种统一的数学分析的方法,用以对均匀材料裂纹前方分离过程区的非线性效应进行有效的,精确的解析分析。避免以前各种模型一般都需要借助于有限元法或其他离散方法才能得到数值解答的难点。本文利用这一新方法,对断裂过程区是内聚力模型,条状屈服区模型的裂纹问题,受约束金属薄膜的裂纹问题,进行了分析计算,并与已有的结果进行了比较,得到了满意的结果。     

功能梯度板条Ⅲ型运动裂纹问题研究

现存文献关于梯度材料断裂问题的研究大都是假设材料参数为坐标的指数函数或幂函数,而其它函数形式较少采用.本文假设功能梯度材料剪切模量和密度的倒数均为坐标的线性函数,而泊松比为常量,研究功能梯度板条的反平面运动裂纹问题.利用Fourier积分变换技术和传递矩阵法将混合边值问题化为一对奇异积分方程,通过数值求解奇异积分方程获得板条运动裂纹在反平面载荷作用下的动态应力强度因子,并讨论了裂纹运动速度、裂纹相对尺寸、以及材料非均匀性对动态应力强度因子的影响,结果证明梯度参数、裂纹速度和几何尺寸对材料动态断裂行为有显著影响.     

虚位移场方法在石墨材料力学参数测量中的应用

光测实验技术在现代力学研究中得到了广泛的应用。对于材料力学参数如杨氏模量和泊松比的测量,可利用典型加载试验如拉伸试验、弯曲试验并结合光测方法(如云纹和数字图像相关技术)得到位移值,利用载荷信息和应变场信息通过计算获得相关的力学参数。本文利用虚位移场方法测量石墨材料的力学参数。结合石墨材料的三点弯曲实验,由数字图像相关法测量得到试件表面的非均匀变形场。通过选择两组不同的虚位移场,可以反算出材料的力学参数:杨氏模量和泊松比。结果表明这种方法可以有效测量石墨材料的弹性参数。该方法可望在材料力学行为检测中得到推广应用。     

短柱型复合材料加筋壁板轴向压缩破坏分析方法研究

复合材料加筋结构可作为航空结构中的承力部件,其损伤与破坏对航空器的结构安全和服役性能至关重要。本文通过试验和数值仿真手段研究了短柱型复合材料结构压缩失效机理和极限承载力。通过短柱型单加筋板的轴向压缩破坏试验,分析梳理出界面脱粘和材料压溃两种典型失效形式;分别建立加筋板壳单元模型和实体单元模型,引入内聚力模型和Hashin准则描述界面脱粘效应与材料破坏,结果表明壳单元模型配合内聚力模型和Hashin准则可以有效地预测加筋板的极限承载力。分别讨论了加筋板长度、筋条高度、筋条/蒙皮刚度比等参数对加筋板的屈曲承载力的影响,为短柱型复合材料加筋壁板压缩损伤与破坏预测分析提供有益的参考。     

剪切波作用下埋藏刚性椭圆柱与周围介质部分脱胶时的动力分析

本文利用波函数展开法和奇异积分方程技术研究了ＳＨ型反平面剪切波作用下埋藏刚性椭圆柱与周围介质部分脱胶时的动力特性．将脱胶区看作表面不相接触的椭圆弧形界面裂纹，利用波函数（Ｍａｔｈｉｅｕ函数）展开法，并引人裂纹面的位错密度函数为未知量，将问题归结为奇异积分方程，通过数值求解积分方程获得了远场和近场物理参量，并讨论了共振特性和各参数对共振的影响．     

M积分与夹杂/缺陷弹性模量的显式关系简

M积分在材料构型力学中表征着缺陷自相似扩展的能量释放率,而有效弹性模量下降量在传统损伤力学中是一个具有内变量属性的损伤参数. 探讨了两者之间的特定关系,以此为材料构型力学与损伤力学搭建桥梁.借助穆斯海里什维利（Muskhelishvili）复势函数方法获取无限大弹性平面含圆形夹杂的弹性场解,根据M 积分的复势函数解析表达式得到M 积分与夹杂弹性模量的显式表达式. 随后通过有限元分析,对含复杂缺陷群的弹塑性材料进行数值模拟,结果表明内部缺陷区域的有效弹性模量下降与M 积分存在着特定关系. 基于此,提出利用材料构型力学中的外变量参数（M 积分）来替代损伤力学中的内变量参数（弹性模量下降量）描述材料的缺陷演化.