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《清华大学》 2003年
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颗粒增强复合材料界面脱层和热机疲劳的数值模拟

郭然  
【摘要】:随着科学和技术的发展,复合材料因其良好的力学特性,在航空、汽车、军事、核能和电子等一些重要的工业领域得到了越来越广泛的应用。在颗粒增强复合材料中,异相材料的加入可以改善材料性能,但同时又导致了材料断裂特性和疲劳特性的下降。这正反两方面作用的产生均依赖于夹杂、空洞以及裂纹等微结构的大小、形状、材料特性以及它们的空间分布。如何能正确分析和模拟受微结构影响的复合材料力学性能,一直是力学和材料学科领域的前沿课题之一,对现代工业的发展具有重要的意义。本文的主要工作包括: 一、基于Voronoi单元有限元法,提出能够反映粘接界面面力连续条件和裂纹表面零界面力的修正余能泛函,推导了能够反映基体和夹杂界面产生脱层的单元。提出了一些改进方法:应力函数的适当构造;改进积分区域的划分;推导单元中线积分的解析解。编制了相应的前、后处理程序,为结果的显示、对比分析提供了方便的途径。 二、提出一种网格重划分算法,运用于模拟含任意随机分布夹杂的颗粒增强复合材料结构的界面脱层损伤演化过程。与通用计算软件MARC和ABAQUS相比较,在相同的计算精度下,本方法单元划分简单,计算速度快捷,显示了处理多相材料力学计算的优越性。 三、提出一种新的考虑热应变、蠕变应变和塑性应变,反映界面脱层的Voronoi单元,并将其引入颗粒增强复合材料的力学性能模拟中。分析了机械疲劳载荷和热疲劳载荷的相位关系对结构的热机疲劳迟滞迴线影响,以及夹杂的拓扑结构对材料热机疲劳特性的影响。以上分析在充分考虑了材料的微观拓扑结构的前提下,得到一些关于含复杂微结构颗粒增强复合材料热机疲劳性能的重要结论。 论文应用Voronoi单元有限元方法,研究了考虑热和机械共同作用下颗粒增强复合材料的力学性能和损伤演化过程,提出了相应的计算技术。在静载荷条件下,发展了界面损伤分析方法,在循环载荷条件下,分析了各种因素对热机械疲劳响应的影响,对材料疲劳寿命预测技术的发展有重要的价值。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:O346.2

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【引证文献】
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1 王兆清;;多边形有限元研究进展[J];力学进展;2006年03期
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1 王兆清;有理单元法研究[D];上海大学;2005年
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1 袁权;颗粒增强复合材料界面裂纹闭合及界面疲劳的数值模拟[D];昆明理工大学;2009年
2 谭韬;VCFEM模拟颗粒增强复合材料界面闭合[D];昆明理工大学;2010年
3 郑宁昆;一种求解粘弹性夹杂问题的时域自适应Voronoi算法[D];大连理工大学;2011年
4 吕文豪;30Cr2MoV转子钢高温低周疲劳数值模拟及损伤评价[D];华中科技大学;2009年
5 张文燕;模拟颗粒增强复合材料疲劳裂纹扩展的Voronoi单元法[D];昆明理工大学;2011年
6 罗吉祥;颗粒增强复合材料界面脱层和基体裂纹的数值模拟[D];昆明理工大学;2007年
7 张广杰;VCFEM在颗粒增强复合材料大规模数值计算中的应用[D];昆明理工大学;2012年
【共引文献】
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1 张铭,郑茂盛,何家文;用几何平均模型计算多晶材料的X射线弹性常数[J];材料研究学报;2001年05期
2 董保童,施荣明,朱广荣;随机振动载荷作用下的结构疲劳寿命估算[J];飞机设计;2001年03期
3 王兆希;施惠基;;面外约束对韧性材料的断裂韧度的影响[J];工程力学;2007年11期
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5 杜修力;金浏;;基于随机多尺度力学模型的混凝土力学特性研究[J];工程力学;2011年S1期
6 张铭,何家文;丝织构对薄膜X射线残余应力分析的影响[J];机械工程材料;2001年05期
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8 何巨海;张子明;艾亿谋;倪志强;;基于细观力学的混凝土有效弹性性能预测[J];河海大学学报(自然科学版);2008年06期
9 董杰,崔建忠,赵志浩;低频电磁铸造超高强高韧铝合金元素晶内固溶度和力学性能研究[J];航空材料学报;2003年01期
10 郭然,施惠基,姚振汉;颗粒增强复合材料界面开裂力学性能的模拟[J];航空材料学报;2003年02期
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1 ;A Combined Self-Consistent and Mori-Tanaka Approach for Evaluation of Elastic Properties of Particulate Composites[A];2009年度海峡两岸工程力学研讨会论文集[C];2009年
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3 杜修力;金浏;;基于随机多尺度力学模型的混凝土力学特性研究[A];第19届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ册)[C];2010年
4 王宠;王清远;;稀土表面处理后铝合金的超声疲劳研究[A];四川省力学学会2008年学术大会论文集[C];2008年
5 窦立军;钟善桐;;钢管混凝土低周疲劳的实验研究[A];中国钢协钢-混凝土组合结构协会第三次年会论文集[C];1991年
6 王丽英;李金许;;9Ni钢的低周疲劳性能研究[A];第七届(2009)中国钢铁年会大会论文集(中)[C];2009年
7 秦克;崔建忠;任栖锋;;高强高韧铝合金近液相线铸造工艺及组织的研究[A];第八届全国塑性加工学术年会论文集[C];2002年
8 张成成;姚卫星;王英玉;康军;;多轴非比例载荷下附加强化效应和疲劳寿命[A];第十四届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2008年
9 秦克;崔建忠;任栖锋;;高强高韧铝合金近液相线铸造工艺及组织的研究[A];第二届半固态金属加工技术研讨会论文集[C];2002年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王保良;车辆荷载作用下沥青路面疲劳行为研究[D];长安大学;2008年
2 曹东风;细观特征对SiCp/Al复合材料力学行为影响的实验及数值研究[D];武汉理工大学;2011年
3 谭捍华;类土质边坡稳定性及其控制技术研究[D];重庆大学;2011年
4 李君;POSS纳米杂化材料的分子动力学模拟方法与力学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
5 黄鹏飞;钢筋混凝土在环境腐蚀与弯曲荷载协同作用下的损伤失效研究[D];中国建筑材料科学研究院;2004年
6 褚卫华;模块级电子产品可靠性强化试验方法研究[D];国防科学技术大学;2003年
7 徐旭东;张力节点的承载力和疲劳性能研究[D];浙江大学;2005年
8 薛新华;岩土介质流—固耦合非线性损伤力学理论与数值分析[D];浙江大学;2008年
9 洪波;电沉积铜薄膜中织构与内应力的研究[D];上海交通大学;2008年
10 郭荣鑫;夹杂物干涉机制及其对材料细观损伤的影响研究[D];昆明理工大学;2007年
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1 邵海洋;结晶聚合物细观力学分析[D];郑州大学;2010年
2 袁权;颗粒增强复合材料界面裂纹闭合及界面疲劳的数值模拟[D];昆明理工大学;2009年
3 谭韬;VCFEM模拟颗粒增强复合材料界面闭合[D];昆明理工大学;2010年
4 郑宁昆;一种求解粘弹性夹杂问题的时域自适应Voronoi算法[D];大连理工大学;2011年
5 吕品;HRB500高强钢筋低周疲劳性能研究[D];大连理工大学;2011年
6 杨兵;高速强制连续约束型航空离合器接触特性及疲劳寿命分析[D];中南大学;2011年
7 杨坤;基于VCFEM的聚合物基复合材料弹塑性数值模拟[D];郑州大学;2011年
8 朱平平;680燃气轮机拉杆转子轴系临界转速及I型裂纹尖端塑性区的屏蔽效应[D];上海交通大学;2011年
9 程永周;CK61125车床床身振动时效机理及工艺研究[D];河南科技大学;2011年
10 张文燕;模拟颗粒增强复合材料疲劳裂纹扩展的Voronoi单元法[D];昆明理工大学;2011年
【同被引文献】
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1 朱怀球,吴江航;一种基于Voronoi Cells的C~∞插值基函数及其在计算流体力学中的若干应用[J];北京大学学报(自然科学版);2001年05期
2 罗吉祥;唐春;;X-VCFEM单元在颗粒增强复合材料裂纹模拟中的应用研究[J];材料导报;2010年18期
3 郭然,施惠基,姚振汉;颗粒增强复合材料热机疲劳性能的模拟分析[J];材料工程;2003年10期
4 张文孝,郭成璧,岳奎,梁莎莉,倪华;热疲劳过程力学行为的数值模拟[J];大连理工大学学报;1995年04期
5 支小牧,寇可新,曹向欣;汽轮机转子热应力在线监测、寿命管理及优化启动的研究[J];动力工程;2000年01期
6 梁军,杜善义;粘弹性复合材料力学性能的细观研究[J];复合材料学报;2001年01期
7 张洪武;王辉;;基于参数变分原理的含夹杂Voronoi单元法及非均质材料弹塑性计算[J];复合材料学报;2007年04期
8 龙述尧,陈莘莘;弹塑性力学问题的无单元伽辽金法[J];工程力学;2003年02期
9 陈艳华,石志飞,朱庆杰;纤维增强复合材料界面疲劳裂纹扩展的模拟研究[J];工程力学;2004年01期
10 刘文辉;张新明;张淳源;;粘弹性复合材料中的渐近均匀化方法[J];工程力学;2005年06期
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1 龙驭球;龙志飞;岑松;;有限元的几个问题和进展——第十届全国结构工程学术会议特邀报告——[A];第十届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2001年
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1 万力;杂交应力元的研究及其与MSC/PATRAN的集成[D];浙江大学;2002年
2 王兆清;有理单元法研究[D];上海大学;2005年
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1 毛雪平;30Cr2MoV转子钢的低周疲劳特性实验研究[D];华北电力大学;2000年
2 梁天杰;大型汽轮机转子热状态在线监测系统[D];华北电力大学;2001年
3 王尧明;国产300MW汽轮机转子寿命分配与管理研究[D];武汉大学;2004年
4 李娜;基于能量耗散理论的疲劳试验研究[D];西北工业大学;2006年
5 吴刚;基于能量准则的疲劳损伤数值模拟研究[D];广西大学;2006年
6 杨凤;汽轮机转子的热应力分析和疲劳寿命研究[D];沈阳工业大学;2007年
7 戴喜庆;大型汽轮机转子寿命损耗和预测研究[D];华北电力大学(河北);2007年
8 罗吉祥;颗粒增强复合材料界面脱层和基体裂纹的数值模拟[D];昆明理工大学;2007年
9 郭红玲;蚁群算法求解粘弹性区间反问题[D];大连理工大学;2010年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;Construction of n-sided polygonal spline element using area coordinates and B-net method[J];Acta Mechanica Sinica;2010年05期
2 张景涛;王兆清;李淑萍;;非均质材料有效模量的数值模拟方法[J];玻璃钢/复合材料;2007年04期
3 王兆清;张景涛;李淑萍;;计算复合材料有效弹性模量的重心有限元方法[J];复合材料学报;2007年06期
4 宋晓光;刘沈如;张景涛;;应用于弹性问题的重心坐标有限元法[J];固体力学学报;2010年03期
5 丁胜勇;邵国建;;Wachspress型多边形有限元法积分方案[J];东南大学学报(自然科学版);2013年01期
6 张慧华;祝晶晶;;复杂裂纹问题的多边形数值流形方法求解[J];固体力学学报;2013年01期
7 李淑萍;王兆清;;多边形单元上有理函数插值的误差估计[J];河南科学;2007年01期
8 王兆清;冯伟;;求解弹性力学问题的有理单元法[J];计算力学学报;2006年05期
9 张芸;程自力;李海霞;张建源;;焊接结构齿轮箱体的强度分析[J];机械传动;2010年09期
10 张景涛;王兆清;;复合材料细观几何结构对有效模量的影响[J];机械强度;2009年03期
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1 陈娟;有限元中面积坐标插值的新方法[D];大连理工大学;2010年
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1 袁权;颗粒增强复合材料界面裂纹闭合及界面疲劳的数值模拟[D];昆明理工大学;2009年
2 董云霞;扭转问题的重心有限元算法[D];山东建筑大学;2011年
3 郑宁昆;一种求解粘弹性夹杂问题的时域自适应Voronoi算法[D];大连理工大学;2011年
4 李芳;C~1样条小波方法及应用[D];海南师范大学;2007年
5 张景涛;重心有限元法及在非均质材料有效模量数值模拟中的应用[D];山东建筑大学;2008年
6 甘文;基于微磁有限元的垂直磁化膜磁化过程研究[D];华中科技大学;2007年
7 张贝;多相复合材料等效物理性能预测[D];武汉理工大学;2010年
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1 郭然;颗粒增强复合材料界面脱层和热机疲劳的数值模拟[D];清华大学;2003年
2 王灿;泡沫夹芯复合材料界面破坏行为及增韧研究[D];大连理工大学;2012年
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4 于红军;含复杂界面非均匀材料断裂力学研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
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7 孙士勇;泡沫夹芯复合材料界面断裂机理和增韧研究[D];大连理工大学;2010年
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1 罗吉祥;颗粒增强复合材料界面脱层和基体裂纹的数值模拟[D];昆明理工大学;2007年
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8 赖欣;Al/α-Al_2O_3界面裂纹扩展的分子动力学模拟[D];武汉理工大学;2010年
9 李龙;通用权函数法在界面裂纹问题中的应用[D];浙江工业大学;2012年
10 刘文婧;复合材料界面模式混合度及基于其的分层扩展准则[D];南京航空航天大学;2012年
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