多铁性层状复合材料中平行界面上的多裂纹问题

与压电/压磁颗粒复合材料相比,压电/压磁层状复合材料结构简单,而且常温下的磁电耦合系数较大,因而具有更大的应用前景。然而,在力电磁载荷的作用下,压磁层和压电层的界面难免会发生开裂。这是因为:第一,夹杂、空穴等制造缺陷一般集中在界面区域;第二,长时间工作之后,压电/压磁复合材料界面处的导电银胶可能发生老化,在载荷作用下,老化的界面易于产生损伤甚至开裂;第三,界面两侧压磁层与压电层的材料性能失配往往会导致界面附近区域产生应力集中,从而引起界面开裂。因此,各层间界面上的裂纹问题也十分值得研究。该类复合材料一般是由多层压电相与压磁相交替粘接而成,为了简化起见,本文仅研究由中间的压磁层和两侧的压电层所组成的三层复合材料中两个平行界面上的多裂纹问题。现有文献在对压电/压磁层状复合材料开展断裂力学分析时,一般都不计压电层的导磁性与压磁层的介电性。然而,实际上它们却往往未必可以忽略。因此,在本文的分析中,我们假定压电层的磁导率与压磁层的介电系数同时都不为零。在此基础上,本文对压电/压磁层状复合材料的界面非等长多裂纹问题进行理论推导和数值计算,探讨几何参数和物理参数对界面断裂规律的影响,为工程中的界面防断裂设计提供理论参考。     

多铁性颗粒复合材料内部的平行多裂纹问题

压电/压磁颗粒复合材料是通过粉末冶金工艺将压电相与压磁相混合烧结形成的复合材料。在文献中,它常常被称为磁电弹材料。磁电弹材料对于应力场、电场、磁场等物理场的变化较为敏感,这三者中任一个发生改变都可能在材料内部引起其余两者变化。由于该类材料为脆性陶瓷,在力电磁载荷作用下,它难免发生开裂。工程中,裂纹的萌生与扩展不仅会降低磁电弹器件的机械强度,而且将显著降低其力电磁耦合效果。在服役过程中,磁电弹材料内部可能同时产生多条裂纹。与单一裂纹的情况相比,多裂纹具有更为复杂的几何排列和相互作用。这使得具有多裂纹的磁电弹材料的断裂行为也将呈现出更复杂的规律。因此,在磁电弹材料的防断裂设计中,有必要研究多裂纹共存的情况及其相互作用规律。与一般的多裂纹问题相比,平行多裂纹问题由于几何构型相对简单,因而在理论分析上具有较强的可行性。不仅如此,平行多裂纹问题还是构造和研究更复杂的多裂纹问题的基础。所以,研究磁电弹材料中的平行多裂纹问题对于磁电弹结构的优化设计具有十分重要的意义。本文采用Green函数与奇异积分方程法,求解电(磁)加载条件下磁电弹条内部的平行多裂纹问题,得到了应力强度因子的数值解,并基于数值结果讨论了平行裂纹之间的相互作用规律,相关结论可为工程中磁电弹材料的防断裂优化设计提供理论参考。     

多铁性材料的断裂力学研究进展

在现代制造工艺技术、新材料科学以及工程应用需求的不断推动下,智能器件正向多功能化方向快速发展。传统的单一材料器件很难同时具备多种功能,开发集电、磁、弹等不同功能于一体的复合材料已经成为智能器件制造领域的一种迫切需求。这种需求使得压电/压磁复合材料成为学术界和工程界近年来关注的焦点[1]。该类复合材料同时具有双向的压电、压磁效应,二者互动又产生双向的磁电耦合效应。压电、压磁、磁电等三种双向耦合效应共存使压电/压磁复合材料成为制造多功能智能器件的理想材料[2]。正是由于具有这种多功能化的特征,压电/压磁复合材料在传感器、致动器、换能器、自旋电子器件、电容电感一体化器件、微波设备、智能滤波设备、高精度成像设备、信息读写与高密度存储设备以及微机电系统(MEMS)等领域有着广阔的应用前景[2-4]。     

复合材料飞轮多层过盈分析

利用ANSYS Workbench软件对某多层复合材料飞轮的不同过盈工况进行有限元分析,得出不同过盈工况下复合材料飞轮的径向应力及环向应力情况。结果表明多层复合材料飞轮的过盈设计对其应力分布不均匀性具有重要影响,从而为多层复合材料飞轮的设计提供了一种有效的分析计算方法。     

多层结构复合材料的超声检测系统设计

分析了超声波在多层结构复合材料中的传播特性,设计了测量多层复合材料厚度及各种缺陷的超声检测系统超声发射系统.该系统由超声波发射系统、接收系统及计算机控制处理系统组成.针对多层结构复合材料层厚及内部缺陷分别进行了计算机仿真和实测实验,并对实验结果进行了比对.结果表明,该检测系统性能达到了设计要求.     

厚壁筒内表面平行双轴向裂纹间影响规律研究

厚壁筒类结构在服役过程中,内壁产生的裂纹对强度和安全使用具有重要影响,针对这一问题,对厚壁筒内表面平行双轴向裂纹间相互作用影响规律进行了研究.首先,在基于理论公式分析轴向单裂纹应力强度因子影响因素的基础上,定义了表征双轴向裂纹间相互影响和作用的相互作用影响因子λ;然后,采用有限元方法,对不同裂纹间夹角、不同裂纹深度比以...     

平行界面裂纹J积分的研究

利用弹塑性有限元分析方法，对平行于双相介质界面的裂纹在不同长度和不同位置时的J积分进行了计算，并研究了裂纹端的J积分随双相介质材料特征的差异和裂纹到界面的距离的变化规律。分析结果表明，裂纹位于硬介质中的J积分小于位于软介质中的J积分，当裂纹靠近界面时，硬介质中J积分将增大，而软介质中J积分将减小。     

层间短纤维增韧复合材料层板横向裂纹扩展的试验研究

对于Zylon短纤维层间增韧层板和普通碳纤维树脂复合材料层板,利用自制小型弯曲试验器和90o铺层缺口试件进行四点弯曲和三点弯曲试验,研究和比较两种层板中基体横向裂纹的发生与扩展规律。结果表明,两种层板基体横向开裂应力基本相同,而裂纹扩展有明显差别。普通层板基体裂纹贯穿90o铺层、不稳定扩展,平均速度约为17.7m/s;而层间增韧层板发生短纤维桥联,使基体横向裂纹的不稳定扩展停止,因而层间短纤维可显著提高基体横向裂纹扩展阻力。试验应用表明,小型弯曲试验器是有效的,尤其便于在光学显微镜下进行实时细观观测。     

多层复合材料飞轮的应力分析与优化设计

修正多层复合材料飞轮转子因过盈装配产生的应力的计算方法,给出一种飞轮转子在纤维缠绕时产生的应力的计算方法;研究基于改进海明距离的种群初始化方法和基于进化代数的反馈变异方法,提出反馈自适应遗传算法(Feedback adaptive genetic algorithm,FAGA);利用FAGA算法,考虑应力约束、质量约束...     

复合材料桨叶蒙皮层间裂纹的应力强度因子求解方法研究

蒙皮分层是复合材料桨叶疲劳破坏的主要形式.文中以应力强度因子为蒙皮分层扩展参数,应用准三维方法及复合材料桨叶结构模型,推导带预扭角的直升机桨叶蒙皮的三维应力-应变关系;同时依据各向异性体界面断裂力学,分析蒙皮存在初始裂纹时裂尖的振荡性,并采用相互积分法给出应力强度因子的求解方法,最后通过数值算例论证文中的方法是可行的.     

双相材料平行于界面裂纹问题的超奇异积分方程法

由双相材料平面问题的弹性力学基本解和相应裂纹问题的应力场一般表达式，通过微分运算及极限分析得到平行于界面裂纹问题的超奇异积分方程组，并在有限部积分的意义下建立相应的数值算法，把该问题的计算转化为对一个线性方程组的求解，就典型问题无量纲应力强度因子的计算结果表明，该方法与体力法与边界元分析基本一致。     

复合材料裂纹扩展的数值分析方法

随着计算机技术的高速发展,利用计算机对复合材料裂纹扩展进行数值分析已广泛使用。但是,复合材料的裂纹扩展是综合多尺度与多重失效模式耦合的强非线性模式,在进行复合材料裂纹扩展数值分析过程中会遇到运算失稳和不收敛等诸多问题。为此,学者们提出了许多数值分析方法来模拟复合材料的任意裂纹扩展,例如内聚力数值分析法、扩展有限元数值分析法、虚拟节点数值分析法、增强有限元数值分析法等,复合材料裂纹扩展已成为计算分析领域一个十分重要的研究方向。     

复合材料控制臂的多区域铺层结构优化

使用碳纤维复合材料设计某乘用车悬架控制臂,对4个区域的铺层结构进行优化设计.首先以各角度铺层厚度为设计变量对控制臂模态频率、质量和各工况应变能进行优化;然后以前三阶模态频率为目标,弯曲刚度参数作为设计变量优化铺层顺序.针对设计变量间存在的工艺约束条件使样本空间不规则且优化变量较多的问题,利用聚类分析进行试验设计确定训练近似模型需要的样本点,并用高斯过程回归方法建立近似模型以减少计算时间,验证模型R2在0.9以上.两步优化后,对比复合材料初始铺层各性能指标均有不同程度改善,复合材料质量减少11.4％;对比原钢制控制臂,各性能均满足要求,质量降低37.1％.     

内压消除多层容器层间间隙的试验研究

该文是“多层式高压容器超压处理试验研究”和“多层高压容器存在间隙时的应力分析与计算程序”工作的继续。对一台摸拟多层实物容器进行了全面试验,定量测试了内压消除层间间隙的效果。认为多层容器的常规水压试验可以消除大部分间隙,故对层板贴合质量的要求,我国容器制造规范可以适当放宽;处理压力略高于Ps值可最有效的消除间隙;当多层圆筒的层间间隙超过某一值后,Ps趋于恒定,如果经过大于Ps的内压处理,则有近似相同的消除间隙效果。     

飞机多层结构中裂纹的定量检测及分类识别

对飞机机身多层结构中的缺陷进行定量检测是无损检测领域的一个难点,脉冲涡流是目前有效的能对这种类型缺陷进行定量检测的技术。采用时频分析的方法实现了对飞机结构中出现的裂纹的定量检测。针对脉冲涡流在裂纹分类中存在的识别正确率较低的问题,提出一种新的称为频谱分离点的缺陷识别方法,提高了缺陷分类识别的正确率,理论分析与试验结果相一致,验证了所采用方法的正确性。     

化工设备多层焊弧波裂纹及其扩延规律研究

结合多次现场试验及施工实践,分析研究了化工用低合金钢设备制作焊接中的致命缺陷即弧波裂纹(近年来提出的新概念)的形态特征、产生原因和运行规律,及其主要的影响因素.为合理制定设备防裂止裂对策提供了依据.另外,就如何提高一次焊接合格率及返修成功率提出了有针对性的见解.     

多层包扎式筒体焊接缺陷区的裂纹分析

针对多层包扎式合成塔筒体环焊缝两侧的筒节层板贴合不良,出现结构不连续,引用壳体理论对缺陷区的变形和应力进行了计算,经分析论证推断出于高度应力集中的焊接缺陷处将萌生出疲劳微裂纹.因而必须采取严格的焊接工艺,以防止产生焊接缺陷.     

疲劳多裂纹问题的Tayor级数解法

疲劳多裂纹问题是老龄结构可靠性分析中受到广泛关注的问题,在可靠性分析中需要反复求解多裂纹扩展方程,对计算方法的精度和效率提出了很高的要求。Taylor级数法是代数,微分方程的一种新的数值解法,其在线性问题中的理论和应用已经比较完善和成熟,本文将Taylor解法进一步用于非线性的疲劳多裂纹扩展方程的求解,对非线性项可以表达为多元多项式的问题,完善了Taylor级数方法的理论,通过计算实例验证了方法的精度和求解效率。     

受面内载荷的层压复合材料的层间应力分析

研究任意多向铺层层压复合材料层间应力的有限元分析方法。分别考虑两种建模方法，一种是采用8结点等参实体单元逐层进行离散化，每个子层都视为正交异性材料；另一种方法是在子层面内采崩4结点板元进行离散化，而在层间采用刚性元和弹簧元进行离散化，称为准三维模型。计算实例为两种不同铺层的T300／QY8911碳纤维／双马树脂层压板条，其中一个板条连续，另一个含圆孔，均受到面内拉伸载衍作用。采用的计算软件为MSc．Nastran。计算结果表明，在受拉板条的自由边和孔口附近存在不能忽视的层间应力。两种建模方法有各自的特点，计算结果可以互相印证，而后一种方法更加灵活和有更广泛的适应性。     

考虑外包的平行机调度问题的多目标遗传算法

研究了一类考虑外包的平行机调度问题,目标是使作业外包总成本与最大完工时间同时最小化。通过对该类问题进行形式化描述与分析,设计了一种数字串形式的解的表示方法,其中每位数字表示固定作业对应的机器编号,该方法能够有效缩小解空间,从而提高搜索效率。进而构建了一种带精英策略的非支配遗传算法PD-NSGA-Ⅱ,为该类多目标调度问题提供Pareto最优解集。大量数据实验结果表明,所构造的PD-NSGA-Ⅱ算法能够在合理的时间内有效求解该类调度问题,其解的质量与计算效率均优于SPEA算法。