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.     

热机载荷作用下三维界面裂纹问题的权函数法分析

热机载荷共同作用下双材料和复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处,并且工程中实际遇到的裂纹大多数是三维裂纹.由于通用权函数仅仅与裂纹体的几何形状有关,与载荷、时间无关,因此在求解复杂冲击载荷下界面裂纹应力强度因子随时间的变化过程时,避免了反复的应力分析,计算效率得到提高.根据Betti互易原理,论文推导出三维界面裂纹问题通用权函数法的普遍表达式,并给出了热机载荷共同作用下三维界面Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹问题通用权函数法的有限元格式.通过与实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到满意的工程应用精度.     

内部压力作用下无限大板中三角孔-边裂纹应力强度因子研究

利用已有文献中的杂交位移不连续边界元法,重点研究了内部压力作用下无限大板中三角孔-边裂纹问题;通过改变孔的几何参数,分析了孔的几何参数对应力强度因子的影响。结果表明:孔对源于其裂纹的应力强度因子具有屏蔽影响和放大影响;当尺寸参数ad ≥adc(adc为某一定值)时,三角孔对源于其裂纹的应力强度因子具有屏蔽影响,并且三角孔尺寸越接近裂纹尺寸,这种屏蔽影响越强烈;当参数 ad≤adc时,三角孔对源于其裂纹的应力强度因子具有放大影响,并且在参数 ad=adm(adm为某一定值)处,这种放大影响达到最大。本文所得结果在工程上具有重要意义。     

环氧树脂涂层焦散线法及用于测定应力强度因子

本文提出了一种新的实验方法——涂层焦散线法,可用于难加工的非透明材料。作为应用,对铝试件的应力强度因子进行了测定并与有限元法的计算结果作了对比。在数据处理中采用多点法构造目标函数,并引入具有选代过程的统计试验法对其进行求解,从而提高了实验精度。     

小角裂纹应力强度因子的权函数解

本文把作者近年来发展的三维权函数法推广应用于平板角裂纹问题,计算了含小角裂纹的平板受远方拉伸及弯曲载荷下的应力强度因子,所提供的解答覆盖了疲劳断裂的研究及工程应用中所关心的小角裂纹的范围。本文的解与文献中的有限元结果进行了广泛的比较,两者之间有极好的一致性。     

圆筒内壁轴向裂纹的权函数和应力强度因子

圆简内壁轴向裂纹的应力强度因子是对压力容器、管道和旋转体等重要部件进行断裂分析的关键参量.以往求解这类问题的方法,主要是修正的保角变换一配位法和奇异积分方程法.这些方法一般都要作复杂的推导和计算,工作量大,而且对于多变的受载情况的适应能力差.权函数法为解决上述困难提供了一个较为理想的手段,但早期的权函数解一般都不是以解析形式出现的,因此难以推广使用.本文根据作者在文[4]中     

热障涂层层裂断裂性能的研究

热障涂层在高温工作环境下,由于热梯度产生的热应力不匹配会导致热障涂层层裂或剥落失效.本文针对热障涂层层裂问题,考虑温度梯度引起的热应力不匹配因素,建立热障涂层层裂I/II复合型断裂准则,并针对分层裂纹在陶瓷层与粘结层界面上和附近的三种存在形式,进行了热障涂层结构单裂纹层裂的算例分析.结果表明界面处层裂纹对应变能释放率影响最大.     

热冲击应力强度因子过渡过程分析的热权函数法

热权函数法利用温度与热权函数的乘积的积分来直接计算热冲击过程中裂纹尖端的应力强度因子过渡过程。热权函数与时间τ无关。由于免除了对每一时刻τ所需作的有限元或边界元分析,计算过程大大简化,计算效率得到极大的提高。本文将热权函数与有限元法直接耦合,给出了基于刚度阵导数法和Gauss-Chebyshev积分的热权函数计算格式。实例计算表明,本文给出的热权函数计算格式具有满意的计算精度。     

功能梯度材料涂层平面裂纹分析

研究粘接于均质基底材料上功能梯度涂层平面裂纹问题. 假设功能梯度材料剪切模量的倒数为坐标的线性函数,而泊松比为常数. 采用Fourier变换和传递矩阵法将该混合边值问题化为奇异积分方程组,通过数值求解获得 应力强度因子. 考察了材料梯度变化形式、结构几何尺寸和材料梯度参数对裂纹应力强度因子的影响,发现 功能梯度材料涂层尺寸、裂纹长度以及材料梯度参数均对应力强度因子有显著影响.     

应用通用权函数法计算热机载荷作用下三维界面裂纹的应力强度因子

热机载荷共同作用下双材料、复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处,并且工程中实际遇到的裂纹大多数是三维裂纹,传统的求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹应力强度因子的数值方法如有限元、边界元法计算量大,计算效率低。由于通用权函数仅仅与裂纹体的几何形状有关,与载荷、时间无关,求解应力强度因子时避免了反复的应力分析,计算效率大大提高, 通用权函数法非常适合计算复杂冲击载荷下应力强度因子分布的过渡过程。根据Betti互易原理,本文推导出了三维界面裂纹问题通用权函数法的普遍表达式,并给出了热机载荷共同作用下三维界面I型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹问题通用权函数法的有限元格式. 通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到满意的工程应用精度。     

加强空心圆柱中纵向贯穿裂纹的热击应力强度因子

本文研究了带纵向贯穿裂纹的加劲空心圆柱的热击问题,文中对圆柱内腔突然冷却热击时所引起的温度变化、应力场及热击应力强度因子等问题,作了分析与计算,数值结果绘制了图形,这可供实际参考使用。     

METHOD OF STRONGLY SINGULAR INTEGRAL EQUATION FOR THE TORSION OF CYLINDER WITH EDGE CRACK

From the dislocation type solution of the torsion of single crack,by using the concept of finite part integrals,we reduce the torsion problem of cylinder with a single crack into an integral equation with strong singularity.The numerical method is also obtained and several numerical examples are calculated successfully at the end of this paper.     

半无限板边缘裂纹的权函数解法与评价

权函数法是求解裂纹体在任意受载条件下的应力强度因子和裂纹面位移等断裂力学参量的高效、高精度方法,与有限元等数值方法相比,在求解效率和可靠性方面均具有明显优势.针对半无限板边缘裂纹,系统分析了在国际断裂力学界较有代表性的Wu-Carlsson、Glinka-Shen和Fett-Munz三种解析形式的权函数法,进而以在远端均匀加载下的半无限板边缘裂纹面位移Wigglesworth解析解导得的权函数及其对应的格林函数解(即裂纹面受一对单位集中力作用下的应力强度因子)为基准,沿整个裂纹长度对3种权函数的精度逐点进行比较,并与文献中基于其他方法求得的权函数做了广泛对比,包括Bueckner,Hartranft-Sih以及Wigglesworth利用不同解析方法推导出的高精度的权函数.研究了3种参考载荷(均布/正反向线性分布应力、集中力)及其不同组合,以及裂纹嘴位移的几何条件对权函数精度的影响.结果表明,基于一种参考载荷下的裂纹面张开位移比基于两种参考载荷下的应力强度因子所得到的权函数具有更高的精度,而且后一种方法的精度明显受到所选参考载荷组合的影响;裂纹面位移在裂纹嘴处三阶导数等于零的条件对基于一个参考解的权函数精度的改进效果较小.最后给出了利用各种权函数方法计算得到的4种载荷条件下的应力强度因子,并对结果进行了比较.     

求解平面和轴对称热冲击问题的热权函数有限元法

根据三维通用权函数法的普遍表达式,给出了轴对称问题和平面问题热权函数法的基本公式.并利用刚度阵导数法,将热权函数法与有限元法直接耦合,给出了二维问题的热权函数有限元法计算格式.实例计算表明,该文给出的计算方法具有极高的计算效率和满意的工程应用精度.     

高温蒸汽作用下花岗岩热破裂的试验研究

利用自主研制的对流加热原位开采模拟实验台和真三轴压力机,研究了不均匀地应力状态下注蒸汽花岗岩热破裂的破裂规律.在本次试验条件下,花岗岩发生脆性破裂温度为483℃,蒸汽压力为10.6MPa;高温高压蒸汽作用下,花岗岩除了在沿着垂直于最小主应力方向产生主裂缝,还会由于热破裂,在其他方向产生一定数量随机分布的次生裂缝;不同方向裂缝的形成,对于形成相互连通的空间裂隙网络有实际意义,从而有助于提高地热开采效率.     

导电流体热对流中磁场的致稳作用

本文导出了在磁场作用下导电流体热对流流动的方程组及其定解条件,用数值方法模拟了由磁场控制的单晶生长热对流问题,计算结果说明磁场可以有效地抑制流动在壁面处的分离、单胞对流变为多胞对流以及速度和温度的振荡等热不稳定现象,说明了磁场对不稳定热对流有明显的致稳作用。     

STUDY ON DYNAMIC STRESS INTENSITY FACTORS OF DISK WITH A RADIAL EDGE CRACK SUBJECTED TO EXTERNAL IMPULSIVE PRESSURE

A dynamic weight function method is presented for dynamic stress intensity factors of circular disk with a radial edge crack under external impulsive pressure. The dynamic stresses in a circular disk are solved under abrupt step external pressure using the eigenfunction method. The solution consists of a quasi-static solution satisfying inhomogeneous boundary conditions and a dynamic solution satisfying homogeneous boundary conditions. By making use of Fourier-Bessel series expansion, the history and distribution of dynamic stresses in the circular disk are derived. Furthermore, the equation for stress intensity factors under uniform pressure is used as the reference case, the weight function equation for the circular disk containing an edge crack is worked out, and the dynamic stress intensity factor equation for the circular disk containing a radial edge crack can be given. The results indicate that the stress intensity factors under sudden step external pressure vary periodically with time, and the ratio of the maximum value of dynamic stress intensity factors to the corresponding static value is about 2.0.     

可动边界上热冲击和机械冲击联合作用下圆筒的动态热应力

本文讨论了枪炮内弹道问题中的枪筒瞬态温度场和动态热应力问题.射击过程中弹头在枪筒内前进时,火药燃烧产生的高温和高压作用在弹头后面的圆筒内壁上.本文给出这种状态下圆筒热弹性问题的控制方程组,讨论了相应的泛函,给出有限元法的计算结果.     

QFP结构中引脚焊缝界面端的奇异性热应力问题研究

由于引脚、印制电路板和焊接剂的热-机材料属性不同,在受到热载荷或机械载荷时,引脚焊接界面端会产生奇异性应力,有可能产生界面开裂.为了基于界面端奇异场来评价QFP结构引脚界面端力学行为,本文拟采用数值方法求解引脚焊缝任意角度尖劈界面端的应力强度系数.具体步骤为:首先,基于高次内插有限元特征分析法确定两相任意角度尖劈界面端的奇异性指数和应力角分布函数,并引入常数热应力项,获得热-机耦合奇异性应力场表达式;采用有限元分析技术和最小二乘拟合法来获得应力强度系数的数值解.文中考察了热-机材料属性对热载荷下焊接剂/印制电路板界面端应力强度系数的影响,并给出改善界面端热应力状态的建议.     

A KARHUNEN–LOÉVE ANALYSIS OF TURBULENT THERMAL CONVECTION

The Karhunen–Loéve (K–L) procedure is applied to a turbulent thermal convection database which is generated numerically through integration of the Boussinesq equation in a periodic box with stress-free boundary conditions using a Fourier collocation spectral method. This procedure generates a complete set of mutually orthogonal functions in terms of which the turbulent flow fluctuation field is represented optimally in the mean square sense. A study is performed ranging from the direct projection of the database onto the set, resulting in a considerable data compression, to developing a system of dynamical equations employing the set as a basis for approximating the Boussinesq equation. In the latter a new strategy is proposed and tested for the treatment of the mean component of the turbulent flow. Finally, the direct projection and the dynamical equations are used to study the effects of truncation on the representation of the turbulent flow.