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%.     

含有功能梯度界面相压电纤维复合材料的平面问题

基于复变函数理论和线弹性压电材料本构方程,研究了含有功能梯度界面相压电纤维复合材料平面问题的电-弹场.首先基于复变函数理论,对功能梯度界面相分层均匀化处理,然后将基体、分层均匀化后的界面相以及压电纤维的复势设定为含有待定系数的级数解形式,再通过边界条件建立相应的方程组求解复势中的待定系数,最后求得在各种载荷下压电复合材料的电-弹场.研究结果表明功能梯度界面相的材料属性对压电复合材料的电-弹场有重要的影响.     

考虑界面行为的SMA纤维复合材料模型

构造了一个考虑部分界面开脱情况下SMA长纤维复合材料的双圆柱模型.在理想界面区域SMA纤维所受的轴力恒定,而在开脱区域则考虑为受线性变化轴力.计算结果表明,开脱区长度及临界界面剪应力只对SMA纤维的相变区有很明显的影响,而对母相及马氏体相的弹性变形区没有影响.这对进一步研究SMA纤维增强复合材料的性能提供理论帮助.     

含界面相桥联矩阵

桥联模型能够有效分析复合材料的弹塑性性能,其在World-Wide Failure Exercise(WWFE)评比中被认定为精度最高的细观力学理论.桥联模型的核心是桥联矩阵,现有桥联模型是在两相复合材料理想界面条件下建立的,而对于实际的复合材料而言,纤维和基体之间总或多或少的出现界面非理想现象.学者们常用一个存在于基体和纤维之间的界面相来描述这种非理想界面情形,这时就需要建立含界面相的三相桥联矩阵.论文采用三相CCA模型,求得六种不同边界载荷下的应力场,再将各相体积平均后的应力场代入三相桥联模型方程,求解线性方程组即可得到三相桥联矩阵元素的精确表达式.进一步,将纤维相和界面相看作一个局部复合材料或等效横观各向同性纤维,其力学性能利用两相桥联模型确定,与外部的基体相构成的复合材料依然可以通过两相桥联模型分析.利用这种等效纤维的概念,论文将三相隐式桥联矩阵进行了有效简化,通过对复合材料等效弹性常数的数值计算,证明简化后的三相显式桥联矩阵与精确的三相隐式桥联矩阵有极高的近似度,从而给实际应用带来极大方便.     

纤维复合材料界面横向拉伸分析

以单纤维十字型横向拉伸试验为研究对象,对纤维/基体界面采用弹性-软化双线性内聚力模型,建立了纤维复合材料在横向拉伸作用下界面法向失效过程的解析模型。得到了沿纤维/基体圆周界面的法向应力分布,纤维/基体界面的状态与界面承载力和单纤维复合材料承载力的关系,以及内聚力参数和试件几何尺寸对它们的影响。结果表明:纤维/基体圆周界面在脱粘前经历全部弹性及弹性+软化两种状态;当界面为弹性状态时,界面法向应力随界面强度线性增加;当界面为弹性+软化状态时,界面软化范围随界面裂纹萌生位移的增加而增大;界面初始脱粘位置与拉伸荷载方向重合;界面初始脱粘时的界面承载力随界面强度及界面裂纹萌生位移的增加而增加,随界面裂纹生成位移的增加而降低;单纤维复合材料的脱粘荷载受基体截面尺寸的影响,当纤维体积含量相同时,沿荷载方向截面尺寸的增大对提高脱粘荷载更显著。     

涂层对复合材料电-磁-弹性性能的影响

研究带界面层的双周期排列电磁弹性纤维复合材料在远场反平面机械载荷和面内电磁载荷作用下的电-磁-弹性响应,结合本征广义应变(本征应变、本征电场、本征磁场)的概念和双准周期Rimann边值问题理论为其发展了一个严格的解析分析方法.解答可用于对胞元内电磁弹性场量进行精细分析,也可对复合材料有效电磁弹性模量做出准确预测.以纯弹性环氧树脂涂层为例,分析了涂层对应力集中系数和有效电磁弹性模量的影响.本文结果可作为一个"基准",用以评价有限元等数值与近似方法的精度.     

共晶基陶瓷复合材料的强度模型

根据细观结构内界面的强约束特性,通过纤维-基体内界面切应力确定了共晶陶瓷棒体的细观应力场.然后分析了两相界面处位错塞积产生的应力集中,获得基体内的最大应力,当最大拉应力等于基体理论断裂强度时,得到共晶棒体的断裂强度的解析表达式.考虑共晶陶瓷棒体长度和方位的随机性,根据概率理论得到共晶陶瓷基复合材料的宏观强度的理论模型.结果表明复合材料的宏观强度与亚微米纤维的直径和长度、以及亚微米纤维、基体、共晶陶瓷棒体的弹性常数有关.理论与实验结果十分接近,说明文中理论模型是合理的,同时证明了共晶界面对陶瓷复合材料的重要影响.     

界面对金属基复合材料轴向弹塑性拉伸性能的影响及局部应力场的分析

本文建立在广义自洽有限元迭代平均化方法的基础上，计算了存在弹性界面相的ＳｉＣ晶须增强铝基复合材料的轴向弹塑性拉伸性能。研究了界面厚度以及界面在不同纤维长径比和体分比情况下对复合材料轴向拉伸性能的影响。本文同时分析了界面材料性质的分布形式对复合材料的拉伸性能及局部应力场的影响     

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。     

功能梯度界面相对周期分布纤维增强复合材料反平面剪切的影响

基于复变函数理论和边界配点法,探索了功能梯度界面相在周期均匀分布纤维增强复合材料反平面剪切问题中所起的作用.由于纤维在复合材料基体中的周期分布是均匀的,将其简化成含一功能梯度界面相夹杂的方形单胞.采用分层均匀化方法,将功能梯度界面相离散成K层界面层.当K足够大时,每个界面层可视为匀质材料,同时计算得到的复合材料宏观性能...     

Crack tip field in piezoelectric/piezomagnetic media

This paper considers the magnetoelectroelastic problem of a crack in a medium possessing coupled piezoelectric, piezomagnetic and magnetoelectric effects. Based on the extended Stroh formalism, the general two-dimensional solutions to the magnetoelectroelastic problem are obtained, involving five analytic functions of different variables. The magnetoelectroelastic field around the crack tip is given. It contains five modes of square root singularities. Expressions of the stresses, electric displacements and magnetic inductions in the vicinity of the crack tip are derived and the field intensity factors are provided. The path-independent conservative integral is derived. The energy release rate is written in terms of those field intensity factors. The explicit algebraic results are given for a special case of an anti-plane crack in a magnetoelectroelastic medium.     

Micromechanics predictions of the effective moduli of magnetoelectroelastic composite materials

In this paper, the self-consistent, generalized Mori–Tanaka and dilute micromechanics theories are extended to study the coupled magnetoelectroelastic composite materials. The heterogeneous inclusion problem of magnetoelectroelastic behavior is formulated in terms of five interaction tensors related to the Green's functions for an infinite three-dimensional transversely isotropic magnetoelectroelastic solid. These tensors are then used to predict the effective moduli of the magnetoelectroelastic solid based on the self-consistent, Mori–Tanaka and the dilute approaches. Numerical results are obtained for various types of inclusions. These results are employed to study the effects of the inclusion properties, such as moduli, volume fractions, shapes, etc., on the effective moduli of magnetoelectroelastic composites, in particular, the related magnetic properties. The results obtained using the self-consistent model, the generalized Mori–Tanaka's model and the dilute approach are compared with the existing experimental and theoretical results.     

模型复合材料弹塑性界面应力分析

由纤维增强弹塑性基体所产生的界面具有弹塑性力学行为。考虑到一般材料的塑性变形都遵循幂硬化规律,对模型复合材料的界面进行弹性和应变硬化状态下的变形规律及其应力分析。以纤维拔出试验为研究模型,将界面分成弹性区和塑性区。利用界面应力剪滞理论,分别建立弹性区和塑性区的界面力学基本方程。选择适当的位移函数满足基本方程及埋入纤维的边界条件,再按位移函数求出弹性区和塑性区的界面剪应力。推导出平均界面剪应力与纤维     

偏压电场作用下磁电弹板中Lamb波传播研究

基于磁电弹性材料的本构关系和运动微分方程,研究了磁电弹板中Lamb波的传播特性.在电磁开路和短路两种边界条件下,导出了偏压电场作用下磁电弹板中Lamb波的对称模态和反对称模态的相速度方程,求解了相应的应力场.通过数值算例分析了偏压电场对相速度和应力场的影响.结果表明,偏压电场对相速度有较大影响,对应力场几乎没有影响.研究成果可为设计磁电换能器提供一定的理论参考.     

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．     

EFFECTIVE SPECIFIC HEATS OF SPHERICAL PARTICULATE COMPOSITES WITH INHOMOGENEOUS INTERPHASES

基于细观力学复合球模型研究了含非均匀界面相粒子填充复合材料的有效热弹性性质,重点讨论了界面相性质的径向分布对有效比热的影响. 首先,将非均匀界面相沿径向离散为多个同心球壳,每个球壳内的材料性质假设是均匀的. 基于上述离散模型,利用含界面相的复合球模型,推导了复合材料的有效体积模量、有效热膨胀系数及有效比热的数值求解表达式;进一步,假设界面相的性质沿径向连续变化,建立了一组微分方程,上述有效性质依赖于该微分方程组的解. 特别地,当界面相杨氏模量为幂次分布时,通过求解该微分方程组得到了有效比热等热弹性性质的解析解. 算例结果表明,应用此方法预测的有效热膨胀系数与实验结果吻合良好;界面相热膨胀系数的径向分布对有效比热和有效热膨胀系数均有显著的影响,而界面相弹性模量的径向分布对有效比热有显著的影响,对有效热膨胀系数的影响相对较小.     

磁-电-弹性半空间在轴对称热载荷作用下的三维问题研究

考虑力-电-磁-热等多场耦合作用, 基于线性理论给出了磁-电-弹性半空间在表面轴对称温度载荷作用下的热-磁-电-弹性分析, 并得到了问题的解析解. 利用Hankel 积分变换法求解了磁-电-弹性材料中的热传导及控制方程, 讨论了在磁-电-弹性半空间在边界表面上作用局部热载荷时的混合边值问题, 利用积分变换和积分方程技术, 通过在边界表面上施加应力自由及磁-电开路条件, 推导得到了磁-电-弹性半空间中位移、电势及磁势的积分形式的表达式. 获得了磁-电-弹性半空间中温度场的解析表达式并且给出了应力, 电位移和磁通量的解析解. 数值计算结果表明温度载荷对磁-电-弹性场的分布有显著影响. 当温度载荷作用的圆域半径增大时, 最大正应力发生的位置会远离半无限大体的边界; 反之当温度载荷作用的圆域半径减小时, 最大应力发生的位置会靠近半无限大体的边界. 电场和磁场在温度载荷作用的圆域内在边界表面附近有明显的强化, 而磁-电-弹性场强化区域的强化程度跟温度载荷的大小和作用区域大小相关. 本研究的相关结果对智能材料和结构在热载荷作用下的设计和制造具有指导意义.      

含非均匀界面相粒子填充复合材料的有效比热

基于细观力学复合球模型研究了含非均匀界面相粒子填充复合材料的有效热弹性性质,重点讨论了界面相性质的径向分布对有效比热的影响. 首先,将非均匀界面相沿径向离散为多个同心球壳,每个球壳内的材料性质假设是均匀的. 基于上述离散模型,利用含界面相的复合球模型,推导了复合材料的有效体积模量、有效热膨胀系数及有效比热的数值求解表达式;进一步,假设界面相的性质沿径向连续变化,建立了一组微分方程,上述有效性质依赖于该微分方程组的解. 特别地,当界面相杨氏模量为幂次分布时,通过求解该微分方程组得到了有效比热等热弹性性质的解析解. 算例结果表明,应用此方法预测的有效热膨胀系数与实验结果吻合良好;界面相热膨胀系数的径向分布对有效比热和有效热膨胀系数均有显著的影响,而界面相弹性模量的径向分布对有效比热有显著的影响,对有效热膨胀系数的影响相对较小.      

Dynamic fracture analysis of a penny-shaped crack in a magnetoelectroelastic layer

This paper analyzes the dynamic magnetoelectroelastic behavior induced by a penny-shaped crack in a magnetoelectroelastic layer subjected to prescribed stress or prescribed displacement at the layer surfaces. Two kinds of crack surface conditions, i.e., magnetoelectrically impermeable and permeable cracks, are adopted. The Laplace and Hankel transform techniques are employed to reduce the problem to Fredholm integral equations. Field intensity factors are obtained and discussed. Numerical results of the crack opening displacement (COD) intensity factors are presented and the effects of magnetoelectromechanical loadings, crack surface conditions and crack configuration on crack propagation and growth are examined. The results indicate that among others, the fracture behaviors of magnetoelectroelastic materials are affected by the sizes and directions of the prescribed magnetic and/or electric fields, and the effects are strongly dependent on the elastic boundary conditions.     

THREE-DIMENSIONAL ANALYSIS OF A MAGNETOELECTROELASTIC HALF-SPACE UNDER AXISYMMETRIC TEMPERATURE LOADING 1)

考虑力-电-磁-热等多场耦合作用, 基于线性理论给出了磁-电-弹性半空间在表面轴对称温度载荷作用下的热-磁-电-弹性分析, 并得到了问题的解析解. 利用Hankel 积分变换法求解了磁-电-弹性材料中的热传导及控制方程, 讨论了在磁-电-弹性半空间在边界表面上作用局部热载荷时的混合边值问题, 利用积分变换和积分方程技术, 通过在边界表面上施加应力自由及磁-电开路条件, 推导得到了磁-电-弹性半空间中位移、电势及磁势的积分形式的表达式. 获得了磁-电-弹性半空间中温度场的解析表达式并且给出了应力, 电位移和磁通量的解析解. 数值计算结果表明温度载荷对磁-电-弹性场的分布有显著影响. 当温度载荷作用的圆域半径增大时, 最大正应力发生的位置会远离半无限大体的边界; 反之当温度载荷作用的圆域半径减小时, 最大应力发生的位置会靠近半无限大体的边界. 电场和磁场在温度载荷作用的圆域内在边界表面附近有明显的强化, 而磁-电-弹性场强化区域的强化程度跟温度载荷的大小和作用区域大小相关. 本研究的相关结果对智能材料和结构在热载荷作用下的设计和制造具有指导意义.