基于纯声子辐射模型的超薄绝缘夹层结构

在复合材料结构中起绝热、增韧作用的绝缘夹层,其加工厚度现在已达到纳米量级,原有的傅立叶热传导定律已无法描述其热能的传递行为,需从分子动力学、量子力学从发,针对不同研究对象建立相应的热传导模型．针对超薄绝缘夹层结构,将纯声子辐射模型和傅立叶热传导模型相结合数值求解热冲击条件下的温度场,并作为热载荷,用于求解结构上表面应力和夹层裂纹驱动力,其结果与只采用傅立叶热传导模型计算的结果相比较, 分析了物理参数对温度、应力和裂纹驱动力的影响．结果表明：与只采用傅立叶热传导模型计算的结果相比,按EPRT计算的热传导明显变慢,其表面剥离应力偏大,而夹层裂纹驱动力偏小．同时随着松弛时间增大和声子速度的降低,热传导减缓,表面横向剥离应力增大,超薄绝缘夹层内裂纹尖端驱动力减小．     

基于非傅立叶热传导半无限大体热冲击力学分析

在微观尺度下,陶瓷的热传导机理与宏观尺度下的热传导机理有较大的差异,由此产生的热应力与宏观尺度下的不同,本文针对热冲击条件下的半无限大体,基于非傅立叶热传导模型分析了温度场、应力场和单边裂纹的应力强度因子,并与基于傅立叶热传导模型分析的结果进行了比较.研究表明在半无限大体表面附近或裂纹较短时,基于非傅立叶热传导模型得到的应力最大值或应力强度因子最大值比基于傅立叶热传导模型得到的结果大,而在半无限大体内部或裂纹较长时,结果相反.     

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一. 边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用. 本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为. 首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解. 其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数. 最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子. 探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律. 结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.      

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一.边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用.本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为.首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解.其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数.最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子.探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律.结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.     

基于时域间断有限元方法的生物组织非傅立叶热行为数值分析

在热传导分析中,当热流与温度梯度存在时间延迟时,需采用非傅立叶热传导模型进行分析。生物组织具有较强的热松弛时间系数,承受激光、微波及烧烫等作用时,其呈现出较强的非傅立叶行为。本文对脉冲热源作用下生物组织的非傅立叶热传导进行研究,针对强脉冲引起的温度场在空间域的高梯度变化、波阵面的间断行为以及通用传统时域数值方法会带来虚假数值振荡的特点,提出采用所发展的时域间断Galerkin有限元法（DG-FEM ）进行求解计算。对多种脉冲热源作用下的非傅立叶热传导过程进行数值模拟,通过考量强脉冲作用下温度场分布和热致生物组织损伤行为的影响,表明了本文所发展的DGFEM 能够有效、准确地描述温度场空间分布和热传导过程以及非傅立叶行为下的生物热损伤更为明显,在生物组织热行为分析中应该受到重视。     

考虑非傅里叶微尺度效应涂层基体复合结构热冲击强度研究

针对在涂层热冲击研究中忽略非傅里叶传热微尺度效应的问题,本文引入一维平板涂层基体复合结构物理模型,建立涂层双曲线型传热、基体抛物线型传热的数学模型Ⅰ,并根据交界面处的传热行为建立合理边界条件.在此基础上,构建了涂层、基体的热弹性力学模型.采用隐式差分法对模型离散化处理,得到温度场的数值解,进而求得应力场,并给出了具体算例.同时,建立涂层和基体均为抛物线型传热的数学模型Ⅱ作为对比研究.结果表明：当初始条件和热扰动均相同,并考虑非傅里叶传热的微尺度效应时,在涂层内,模型Ⅰ热应力表现出变化的延迟性、分布的局域性以及波动性,任意位置热应力都不是从0开始变化,而模型Ⅱ不存在波动性,任意位置热应力从0开始变化.模型Ⅰ热应力产生后,率先达峰且峰值大于模型Ⅱ.在基体内,模型Ⅰ热应力大于模型Ⅱ,且变化梯度较大.在交界面处,模型Ⅰ产生“反射效应”,此处应力值以及应力骤降值均大于模型Ⅱ.对比表明,模型Ⅰ受到的热冲击更加复杂剧烈.该研究为极端热传导环境下确保涂层可靠性提供了有益参考.     

含埋藏椭圆形裂纹金属构件电磁热止裂时热应力场分析

对带有椭圆埋藏裂纹金属构件在脉冲放电瞬间的热应力场进行了理论分析。在热应力场的求解中,利用了热传导和非定常热应力理论,由求解的热应力场公式发现：在脉冲放电瞬间,电磁热在裂纹尖端形成热压应力场,热压力场可有效地抑制裂纹的扩展。以Cr12MoV模具钢中埋藏椭圆裂纹止裂为例,具体计算了脉冲放电瞬间的热应力场分布情况,为空间裂纹电磁热止裂技术的实际应用提供了理论基础。     

短脉冲激光加热分数阶导热及其热应力研究

短脉冲激光加热引起材料内部复杂的传热过程及热变形,现有的以Fourier定律或Cattaneo-Vernotte松弛方程结合弹性理论为框架建立起来热应力理论在刻画其热物理过程存在严重缺陷. 本文基于分数阶微积分理论, 以半空间为研究对象, 建立了分数阶Cattaneo热传导方程和相应的热应力方程, 给出了问题的初始条件和边界条件, 采用拉普拉斯变换方法, 给出了非高斯时间分布激光热源辐射下温度场和热应力场的解析解, 研究了短脉冲激光加热的温度场及热应力场的热物理行为. 数值计算中, 首先对理论解进行数值验证, 然后取分数阶变量$p=0.5$研究温度场和热应力场的变化特点及激光参数对温度和热应力的影响,最后数值计算分数阶参数对温度和热应力场的影响. 计算结果表明, 分数阶Cattaneo传热方程和热应力方程描述的温度和热应力任然具有波动特性,与经典的Fourier传热模型和标准的Cattaneo传热模型相比, 分数阶阶次越大, 热波波速越小, 热波波动性越明显; 反之, 则热波波速越大, 热扩散性越强.激光加热和冷却的速度越快, 温度上升和下降的速度越快, 压应力和拉应力交替变化越快, 温度变化幅值越小, 热应力幅值影响不明显.      

GCr15凹模环形裂纹电磁热局部跨越止裂的模拟研究

裂纹止裂技术是当前工业生产和实际应用中急需解决的关键问题;利用电磁热效应对带有裂纹的金属构件进行止裂,是达到延长工作寿命、提高安全性可靠性的一种行之有效的方法;本文采用有限元方法研究了带有半埋藏环形裂纹的轴对称GCr15凹模电磁热局部跨越止裂;建立了超强脉冲电流放电瞬间,环形裂纹尖端附近电场、温度场和热应力场的耦合关系。数值模拟分成热-电耦合(焦耳热问题)和热-机械耦合两个过程来实现,通过数值解析轴对称模型,给出了脉冲放电瞬间GCr15凹模中的电流-温度-热应力的求解过程,得到了脉冲放电瞬间半埋藏环形裂纹局部跨越止裂时凹模的温度场和热应力场。数值模拟研究结果表明:由于热集中效应,在放电瞬间裂纹尖端金属熔化,并形成局部堆焊,阻止了干线裂纹源的开裂,达到了止裂的目的。     

基于近场动力学微分算子的含裂纹正交各向异性板热传导分析方法

采用近场动力学微分算子(Peridynamic Differential Operator, PDDO)理论建立正交各向异性板热传导的非局部模型。通过构造近场动力学函数,将边界条件和热传导方程由局部微分形式转化为非局部积分形式,引入Lagrange乘子,采用变分分析对含裂纹正交各向异性板温度及裂纹尖端的热通量分布进行求解。通过对比算例,验证了该模型具有较好的收敛性和有效性。分析了正交各向因子、材料铺设角、裂纹倾角及间距对裂纹尖端热通量的影响。结果表明,基于PDDO建立的含裂纹正交各向异性板热传导模型,考虑了热传导问题中的非局部性,能有效提高计算精度,预测含裂纹板中裂纹尖端出现的奇异性。     

热障涂层界面微区域热蠕变应力演化分析

热障涂层热循环载荷下不同界面层蠕变特性是影响界面微区域残余应力变化的关键因素,探究热障涂层蠕变与残余应力的关系有助于提高热障涂层的稳定性。以热弹塑蠕变理论为依据,采用Norton蠕变模型,建立陶瓷层、氧化层、粘接层和基体四层几何分析模型,考虑不同层蠕变和蠕变程度因素,研究热循环载荷作用下涂层界面微区域应力演化规律。结果表明,蠕变参数和蠕变层数的变化影响热障涂层界面残余应力的大小和分布,这对预测热障涂层失效具有指导意义。     

层合材料的非傅里叶热传导及热应力

论文建立了一个双层材料层合板受瞬态加热情况下的非傅里叶热传导分析模型,用向后差分法得到了温度场的数值解,并对该差分格式的稳定性进行了讨论.给出了温度场随导热时间、热扩散率、空间与时间步长之比以及弛豫时间的变化趋势.同时,通过已经求得的温度场,求得了层合板内的应力场,给出了层合板内的热应力随时间的变化.     

基于圆筒模型的热障涂层安定分析

热载荷作用下,由于热障涂层(thermal barrier coatings, TBCs) 各层材料的热不匹配以及材料参数的温度相关等因素,会使热障涂层界面区域存在复杂的应力应变场,影响系统安定性,并导致涂层开裂和剥落. 将热障涂层外凸和内凹微观界面结构简化为多层圆筒模型,借助经典机动安定定理,利用特雷斯卡(Tresca) 屈服准则和增量破坏准则处理对时间的积分问题,避免了常规安定性分析的数学规划问题,建立了热障涂层安定极限分析方法,将材料屈服强度随温度变化关系简化为双线性关系,利用补偿变换的方法简化求解过程,对典型热障涂层安定性进行了研究. 结果表明,利用基于圆筒的安定极限分析方法,能够方便求解安定极限,便于工程应用;热障涂层安定极限值明显高于弹性设计值,且界面外凸区域安定极限高于内凹区域极限值,结构首先在内凹处失效;圆筒模型基体曲率和涂层厚度越大,结构安定极限越高,分析结果与试验结果一致;所建立的热障涂层安定分析方法,对进一步研究考虑蠕变因素影响的热障涂层安定性具有重要意义.      

瞬态热冲击下层合材料板界面的热弹性行为

基于带有两个热松弛时间的G-L广义热弹性理论, 利用有限元方法研究了零阻抗理想界面层合板在瞬态热冲击诱导的位移、应力和温度等通过界面时的热弹性行为. 通过比较不同层中材料的比热容、热导系数、热松弛时间和密度等对界面处的位移、应力和温度的影响, 研究了不同材料参数对复合材料热力学行为影响, 发现不同材料参数将导致热穿过界面时界面处温度、位移和应力发生突变, 研究结果可以为由热引起的层合板挠曲变形提供理论依据.      

热障涂层的冲蚀破坏机理研究进展

耐高温、高隔热的热障涂层(thermal barrier coatings, TBCs) 技术因为能降低基底的工作温度, 提高 发动机的性能与热效率, 已经成为了航空发动机的关键热防护技术. 航空发动机在飞行过程中, 将不可避免地 受到燃烧室内各种杂质及外来颗粒的撞击, 从而发生冲蚀失效, 这一失效已成为制约TBCs 服役性能及其安 全应用的关键问题. 本文介绍了TBCs 冲蚀破坏机理的实验研究、有限元模拟、理论分析、试验模拟系统以及 实验检测技术方面的最新成果, 展望了TBCs 冲蚀机理研究的重点.      

广义热弹模型的热力学基础与瞬态响应

微纳科技的快速发展与超短脉冲激光技术的广泛运用, 对描述微纳尺度超快热冲击的广义热传导及其热弹耦合理论提出迫切需求. 基于拓展热力学原理, 本文建立了考虑热传导双相滞后效应和高阶热流率的广义热弹耦合理论. 类比于力学领域黏弹性本构关系的串联、并联模型, 并受Green-Naghdi (GN)广义热传导模型启发, 本文提出了热学“弹性”单元和“黏性”单元模型, 并采用串联、并联方法实现了Cattaneo-Vernotte (CV)、GN、双相滞后(DPL)和Moore-Gibson-Thompson (MGT) 热传导模型的重构. 理论推导进一步表明, 本文新建模型对应于热学Burgers模型, 并得到了新模型中各相位滞后中松弛时间之间的比例关系. 运用拉普拉斯变换方法, 研究了一维结构受边界热冲击和移动热源作用下的瞬态响应, 计算结果表明: 新模型克服了热波速度无限大的悖论; 仅有边界热冲击载荷时, 新模型得到的响应结果均较大, 响应范围最小; 相比于无热源作用情形, 受移动热源作用时, 新模型会产生更大的峰值响应. 新模型与经典弹性理论耦合构建了广义热弹性理论, 运用该理论, 可以清晰观察到在热波和弹性波波前的应力突变. 理论方面, 本文推动了拓展热力学与连续介质力学的结合, 对于远离平衡态极端力学基础理论问题的研究具有启发意义; 应用方面, 本文研究结果可为激光等移动热源作用下材料的瞬态响应分析提供理论基础和数值方法.      

THERMAL SHOCK OF SEMI-INFINITE BODY WITH MULTI-PULSED INTENSE LASER RADIATION

In order to investigate the thermal shock and the heat conduction property of a target under multi-pulsed laser radiation, analytic expressions of both temperature and thermal stress fields in the target are deduced on the basis of the non-Fourier conduction law and the thermo-elastic theory. Taking a stainless steel target as an example, we can solve the analytic expressions under appropriate boundary conditions by using the finite difference method and MATLAB software, and then reveal the evolution law of both surplus temperaturt, and thermal stress in the target. The results indicate that the temperature curves in the target irradiated by a multi-pulsed laser take on a delayed character in different sections away from the boundary, which is only affected by its relaxation time. The front of the stress wave is very steep in the non-Fourier numerical solutions, which presents an obvious thermal shock, so it is necessary to consider the non-Fourier effect of semi-infinite body under the high energy laser radiation.