纤维增强复合材料轴对称界面端的奇异应力场

提出了一种分析横观各向同性纤维增强复合材料轴对称界面端的奇异应力场的特征值法。基于横观各向同性弹性材料空间轴对称问题的基本方程和一阶近似假设,利用分离变量形式的位移函数和无网格算法,导出了关于应力奇异性指数和应力角函数的奇异性特征方程。对于纤维/基体轴对称界面端模型,特征值法给出的应力奇异性指数、相应的位移和应力角函数,与通过有限元分析得到的结果非常吻合。利用有限元计算得到的奇异应力场,结合特征值法给出的应力奇异性指数和应力角函数,通过线性外插得到了相应的应力强度系数。特征值法结合有限元分析,可以完全确定横观各向同性纤维增强复合材料轴对称界面端的奇异应力场。     

铆接界面端三维奇异性应力场的研究

针对铆接结构的特点,应用特征函数扩展技术分析柱坐标下接触界面端的应力奇异性问题。建立了柱坐标下圆柱体端面接触边缘附近的三维渐近位移场和应力场渐近表达式,并根据铆钉/被铆接件接触界面端的位移和应力边界条件,建立一个非线性特征方程组。据此方程组可求解界面端邻域的应力奇异性指数、位移和应力角分布函数的数值解。通过与有限元方法计算结果相对比,验证了该方法的有效性。分析了平头、沉头以及半圆头铆钉构成的铆接结构的应力奇异性问题,考察了铆钉材料、几何形式和摩擦系数对接触界面端应力奇异性指数和应力场角分布的影响。     

双材料界面端附近奇异应力场消除几何条件研究

基于 Bogy 特征值方程,分析了消除界面端奇异应力场的几何条件,给出了平面应力和平面应变条件下的接合角组合曲线。应用有限单元法对上述结果进行了验证,并对消除应力奇异性后的界面应力进行了分析与讨论;结果表明:采用刚好使奇异性消失的接合角会获得最均匀的界面应力分布。     

无应力奇异性条件下的界面应力集中问题研究

应用有限元分析技术,对无应力奇异性条件下的双材料粘接接头的应力集中问题进行了数值研究。首先,根据特征方程分析求解出消除接头界面端和界面角奇异应力场的材料组合和几何条件;据此提出了几种无应力奇异性影响并且为宏观等截面的双材料粘接接头几何模型。然后在轴对称假设条件下,对上述模型理想粘接界面上的应力分布进行了分析,着重讨论了材料组合和界面几何形状对这些应力大小的影响。结果表明:由于材料性能错配,界面上的应力集中现象不可避免,其大小依赖于材料组合和界面几何形状。这些分析结果对于指导界面几何形状优化设计,最终提高界面强度具有一定的参考价值。     

用切口尖端单元分析各向异性材料中多边形孔奇异性应力场

该文提出了一种基于全数值方法的新型杂交元方法, 用于研究各向异性复合材料中多边形孔奇异性应力场干涉问题。该方法的建立分3 个步骤:首先, 用一维有限元方法求解各向异性材料切口尖端奇异性应力场数值特征解;然后, 采用杂交有限元列式构造一种超级切口尖端单元, 其中, 假设应力场和位移场是利用上述奇异性场数值特征解推导出来的;最后, 将上述超级切口尖端单元与传统4 结点杂交应力元组装, 得到新型杂交元方法。算例中, 将裂纹问题作为考核例, 并进一步考察双菱形孔和双矩形孔的奇异性应力干涉问题。算例表明:当前模型能降低单元数, 且精度好;与传统有限元法和积分方程方法相比, 该模型更具有通用性和高效性, 为各向异性材料的细观力学分析打下了基础。     

分析不同材料界面应力奇异性的一维杂交有限元方法

该文提出了一种计算效率较高的分析不同材料界面应力奇异性的一维杂交有限元方法。为了推导该方法,首先列出了用于求解不同材料界面裂纹奇异应力场特征解的基本方程和边界条件,然后利用加权残量方法(weighted residual method),得到上述基本方程和边界条件的弱形式,该弱形式的基本变量为位移和应力。运用Galerkin有限元方法的思想及上述弱形式,最后得到了一个一维杂交有限元方法,该一维杂交有限元方法只需对扇形区域在角度方向上离散,其总体方程为一个二次特征矩阵方程。数值算例表明:该方法可以准确而高效地计算不同材料界面奇异应力场的特征解。     

各向异性复合材料尖劈的应力奇异性次数研究

为了确定各向异性复合材料尖劈的应力奇异性次数,提出了一种确定广义平面应变情况下各向异性弹性接合材料界面端应力奇异性次数的一维特殊有限元法。该方法基于最小势能原理,通过坐标变换和变量分离消除径向坐标,把应力奇异性次数的求解降阶为仅与环向坐标相关的一维问题。采用三节点一维等参数二次单元,对该一维线性领域做网格划分。数值计算结果与理论解比较,表明该方法具有很高的精度和效率。     

压电与导体双材料界面端的奇异性研究

提出了一种求解平面应变条件下横观各向同性压电与导体双材料界面端的应力及电位移奇异性的特征值法。基于横观各向同性压电材料的基本方程和一阶近似假设,利用分离变量形式的位移函数和电势函数,导出了关于应力和电位移奇异性指数的奇异性特征方程。求解由无网格法离散的特征方程,即可得到应力和电位移的各阶奇异性指数,同时还可得到相应的应力和电位移角函数。数值计算结果与文献中给出的结果非常吻合,表明该方法具有很高的精度和效率。     

含双尺度界面复相陶瓷的细观界面滑移应力

基于复相陶瓷显微特征和双尺度界面特性,分析含双尺度界面复相陶瓷内的细观界面滑移应力。首先,基于复相陶瓷宏观、细观和纳观弹性性能,计算双尺度界面复相陶瓷产生弹性变形时的细观平均应力场。然后,在纳观界面位移和应力连续基础上,提出了界面应变模型,确定了纳观界面附近纤维和基体内的位移函数,考虑界面应变的突变值与界面模量间的比例关系,根据纳观界面特性和纤维分布形式,确定出弹性变形条件下外载传递到细观界面上的切应力。最后,基于压痕实验测得复相陶瓷细观界面滑移的屈服切应力,得到细观界面滑移应力的理论计算公式并进行了定量分析。结果表明,复相陶瓷内纳观界面弹性模量越小或泊松比越小时,细观界面越易滑移,复相陶瓷越易产生塑性变形。     

橡胶材料的非线性黏弹性本构方程

橡胶是一种非线性黏弹性材料,准确描述其非线性黏弹性力学响应的本构方程是橡胶材料及制品设计优化的关键。文中基于超弹性模型和并行流变模型(PRF)描述了橡胶材料的非线性黏弹性响应特征,重点探讨了由实验数据确定PRF本构方程材料参数的方法。首先通过单轴拉伸实验数据拟合得到超弹性模型,将应力松弛实验数据拟合得到表征材料线性黏弹性的模型-Prony级数,再将Prony级数转化为初始的PRF模型,进而不断优化得到PRF模型的准确材料参数,最后进行实验验证。结果表明,PRF模型计算的不同应变下的应力松弛数据与实验数据之间的误差仅为0.067%,PRF能准确地描述橡胶材料非线性响应的应力松弛行为。     

磁电弹双材料条中螺位错与界面边裂纹的相互作用

研究半无限长磁电弹双材料条中螺位错与界面边裂纹的相互作用。基于镜像原理和保角变换方法,得到了弹性场、电场和磁场的解析解,给出了应力、电位移、磁感应强度、应力强度因子以及像力的显函表达式。以压电-压磁双材料条形介质为例,分析了应力场、电位移和磁感应强度的分布特性,讨论了几何参数、压电和压磁效应对应力强度因子和像力的影响。     

力、热载荷作用下纤维在复合材料中的界面应力传递行为

采用三维光弹性实验应力分析和有限元计算两种方法,在拉拔载荷和热残余应力联合作用下,对单丝拔出树脂基复合材料三维冻结切片界面剪应力进行了研究。实验结果和计算表明,在单纤维与基体界面的埋入端及埋入末端附近出现界面残余剪应力的极值;力、热载荷作用下纤维界面剪应力呈抛物线分布,单丝埋入端附近是应力的主要传递区域,最先达到危险应力,出现界面脱胶破坏,然后剪应力沿纤维埋入长度由纤维埋入端附近向埋入末端逐渐传递;界面热残余应力对界面剪应力的影响是使纤维埋入末端应力集中程度降低,使界面剪应力最大值增大。      

垂直界面裂纹应力强度因子的加料有限元分析

为求解裂尖位于界面上的垂直双材料界面裂纹应力强度因子,发展了一种加料有限元方法。该方法应用Williams本征函数展开和线性变换方法求解裂尖渐进位移场,将该位移场加入常规单元位移模式中,得到加料垂直界面裂纹单元和过渡单元的位移模式,给出加料有限元方程。建立了典型垂直界面裂纹平面问题的加料有限元模型,求解加料有限元方程直接得到应力强度因子,与文献结果对比表明该方法具有较高的精度,可方便地推广应用于垂直界面裂纹的计算分析。     

受分布载荷复合材料层合板应力分析的一般理论

为了克服经典层合板理论的缺点,提高层间应力的计算精度,提出了受分布载荷层合板应力分析的一般理论。首先根据叠加原理将层合板受力状态分解成对称和反对称状态,然后用正交完备的傅立叶级数和勒让德级数构造这两种受力状态中每一铺层与层间胶层的位移场,并应用广义势能原理确定位移场中的待定系数,从而确定层合板的位移场和应力场。另外,胶层被视为各向同性材料,并且与其它材料层具有相似的力学特性,即具有有限厚度、有限弹性常数。计算结果显示,这种解法的收敛性非常好,根据物理方程与根据平衡方程得到的层合板横向剪应力及横向正应力分布非常一致。     

改进的数字全息光弹方法理论研究

该文通过改变参考光偏振方向,对数字全息光弹法进行改进,从而可以高效、高精度的检测二维应力场.从理论上导出了该方法的实验原理:加载前后在对应的4 个不同参考光偏振位置拍摄数字全息图,对这4 对数字全息图进行傅里叶变换、滤波及反变换,可以获得4 个光强方程,数值求解这4 个光强方程,再结合应力-光学定律就可以精确获得二维应力场的2 个主应力值和主应力方向.与传统的数字全息光弹法相比,新方法具有以下优点:不需要分离等差线与等倾线条纹;不需要确定条纹级数;方法简单,不需要已有技术以外的实验装置或实验模型.     

硬铝约束对纯铝韧脆转变的影响

本文通过四点弯曲试验以及数值模拟方法对爆炸焊接的LY12/Al/LY12层合材料中纯铝中间层在不同界面强度错配比条件下裂端应力场及韧脆转变行为进行了研究。结果表明:在双侧硬铝约束下,界面强度错配比增加对裂端应力三轴度及其分布具有显著影响,裂端前沿应力三轴度的提高对中间纯铝层韧脆转变起主导作用,在一定应力三轴度及最大主拉应力条件下,裂端前沿将发生脆性解理启裂。     

无限弹性基底上热电薄膜的屈曲行为研究

本文研究了热电薄膜粘合到弹性基底结构的屈曲行为．将界面剪切应力和薄膜的轴向应力结合起来,建立了热电薄膜的计算模型,利用边界条件将所求问题转化为一个奇异积分方程．通过使用切比雪夫多项式展开求解奇异积分方程,得到归一化应力强度因子．确定了膜厚度和基材与膜刚度比对薄膜应力和界面应力强度因子的影响．讨论了薄膜长度和厚度比对薄膜应力和界面应力强度因子的影响．结果显示薄膜和基底之间的刚度比对薄膜的应力水平有着较明显的影响．     

含界面相的单向纤维增强复合材料三维应力场的二重双尺度方法

提出了计算含界面相的单向纤维增强复合材料三维应力的二重双尺度方法。在性能预报方面,首先对界面相和纤维进行均匀化得到均匀化夹杂,然后对均匀化夹杂和基体进行均匀化得到宏观均匀材料;在应力场描述方面,从宏观均匀场出发,利用双尺度渐近展开技术经过两次应力场传递,依次得到单胞和应力集中区域的应力场。与有限元方法相结合,计算了宏观轴向均匀拉伸载荷条件下含界面相的单向纤维增强复合材料的三维应力场分布。数值结果表明在此载荷条件下最大应力发生在每根纤维的中截面内,靠近纤维与界面相的交界处。讨论了界面相性能对应力场分布的影响,结果显示纤维、界面相与基体力学性能的等差过渡有利于缓解纤维在界面附近的应力集中。      

宏微观双尺度运动裂纹模型面内拉伸下的解析解*

研究裂纹动态扩展中宏微观因素相互作用机制与微观裂尖区的钝化效应。平面拉伸状态下,宏观主裂纹以恒定速度运动。通过一个介观约束应力过渡区,将宏观主裂纹与微观裂尖区相连接,由此建立了一个宏微观双尺度运动裂纹模型。应用弹性动力学与复变函数理论,分别在宏观与微观尺度下对该模型进行解析求解,获得了解析解。通过裂纹张开位移从宏观到微观的连续性条件与宏微观应力场协调条件,将两个不同尺度下的解相耦合,获得了计算宏微观损伤区特征长度的显式表达式。研究表明,运动裂纹的宏观应力场仍具有通常的r&;#61485;1/2的奇异性。由于微观裂尖的钝化,微观应力场奇异性的阶次有所降低,与宏观应力场相比具有弱奇异性。双尺度运动裂纹模型中,可允许裂纹运动速度达到剪切波速,解除了经典运动裂纹理论中裂纹速度不能超过Rayleigh波速的限制。数值结果表明,介观损伤过渡区与裂尖微观损伤区尺寸,及裂纹张开位移等,与裂纹运动速度、材料性质、约束应力比、裂尖钝化角度等因素有关。     

双压电材料界面力电耦合场奇异性研究

针对不同压电材料中界面裂纹尖端的扇形区域推导出了包含基本方程、裂纹面D-P边界条件和不同压电材料交界面处的边界条件的弱形式。在该弱形式的基础上,利用特征方程展开方法(eigenfunction expansion technique),可以得到一个分析压电材料裂纹尖端处力电耦合场奇异性的特殊的一维有限元列式。该一维有限元列式只需对扇形区域在角度方向上离散,最后的总体方程为一个二次特征根方程。求解该特征根方程就可以得到压电材料裂纹尖端处力电耦合奇异场的特征解。通过数值算例表明该方法可以准确而高效地计算压电材料裂纹尖端处力电耦合奇异场的特征解,进而用该方法研究了双压电材料界面力电耦合场的奇异性。