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功能梯度材料中界面裂纹对弹性波的散射及热断裂问题

周跃亭  
【摘要】: 功能梯度材料是适应当今航天、航空、国防等高新技术领域的特殊要求而发展起来的一种新型复合材料。这种材料具有连续的组份变化形式,可以承受机械载荷以保持结构的刚度,也可以缓解热应力,提高热强度。尽管功能梯度材料综合特性优良,但在动载荷和高温作用下,材料内部常常会产生各种形式的裂纹并导致材料破坏。因此,研究功能梯度材料在动载荷和热载荷作用下的断裂行为对于功能梯度材料结构的设计、优化及其安全具有重要的学术价值和工程实际意义。 第一章对功能梯度材料的理论研究、数值模拟研究以及试验研究现状做了比较详细的评述。 第二章研究了功能梯度涂层-均匀基底结构中界面裂纹对从基底以任意角度入射的SH波的散射近场问题。利用叠加原理和积分变换方法将问题转化为一组奇异积分方程,积分路径有极点,采取了偏移路径方法避开积分路径上的极点。讨论了入射波的频率、入射方向、材料梯度参数和裂纹尺寸对动态应力强度因子的影响。 第三章利用叠加原理和积分变换方法,求解了功能梯度涂层和均匀基底间界面裂纹对以任意角度入射的平面波(P波或Sv波)的散射近场问题。采取了偏移路径方法避开积分路径上的极点。分析了入射波的频率、入射波的波型、入射方向、材料梯度参数和裂纹尺寸对动态应力强度因子的影响。 第四章研究了功能梯度界面层结构中的界面裂纹在均匀热流边界下的热效应问题。假设裂纹区域存在导热热阻,裂纹面部分绝热。假设热-机械效应不耦合,分别求解了相应边界条件下的热传导方程和平面弹性方程。在计算积分时,考虑了积分核的高阶渐近表达式,使数值积分不溢出且更精确。分析了材料特性(弹性模量,热膨胀系数以及热传导系数)的梯度参数和无量纲热阻对温度分布及热应力强度因子的影响。 考虑到实际制备功能梯度材料的各向异性,第五章研究了正交各向异性功能梯度材料涂层——正交各向异性均匀基底间界面裂纹在热载荷作用下的问题,假设裂纹区域存在导热热阻,考虑了热流边界条件。推导了温度场和位移场的奇异积分方程组。在数值计算时,考虑了积分核的高阶渐近表达式。给出了数值算例说明材料正交各向异性参数、热物特性(弹性模量,热膨胀系数以及热传导系数)的非均匀参数、无量纲热阻和裂纹位置对对温度分布及热应力强度因子的影响。 第六章研究了正交各向异性功能梯度条中的裂纹在对流换热边界下的动态热效应问题。通过使用Laplace变换和Fourier变换,分别给出了温度场和位移场在Laplace域内的奇异积分方程。在计算积分时,考虑了积分核的高阶渐近表达式。利用Laplace数值反演方法,给出了裂纹面及延长线上的温度分布及动态热应力强度因子随时间变化的规律。分析了材料非均匀参数、正交各向异性和无量纲热阻对温度分布及动态热应力强度因子的影响。


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