功能梯度材料热弹性断裂问题研究

【摘要】： 功能梯度材料可以有效降低不同材料间由于热膨胀系数不匹配而产生的高热应力、高残余应力,并且有助于解决由界面突变引起的失稳,开裂等问题。因此,功能梯度材料通常用作温度涂层,研究其热断裂和热弹性问题具有重要意义。 第一章回顾了功能梯度材料断裂问题的研究历程,着重介绍了功能梯度涂层-基底结构的研究现状。此外,还详细评述了功能梯度材料热弹性耦合行为的研究进展。 第二章研究了功能梯度涂层与有限厚度基底结构在热/机械载荷作用下的界面断裂问题。引入界面导热系数来反映界面裂纹部分导热,结构上下表面作用恒定的温度场,裂纹表面承受任意的机械载荷。采用积分变换和引入位错密度函数,将问题转化为求解一组奇异积分方程。采用Labtto-Chebshev方法对这些奇异积分方程进行数值求解。讨论了界面导热系数、材料非均匀参数等因素对界面温度场分布和能量释放率的影响。 基于L-S模型,第三章首先推导了各向同性材料热弹性耦合理论的控制方程,对于均匀材料和功能梯度材料均适用。采用统一形式,得到了不同热弹性耦合模型的有限元格式,并给出了无量纲化后的形式。最后,利用Fortran语言编写了有限元计算程序,并对其进行了全面的验证。 第四章对功能梯度材料的热弹性耦合问题进行了研究,分析了温度场和位移场。针对均匀材料和功能梯度材料,讨论了热弹性耦合模型、材料参数变化方式、松弛时间等的影响。对于功能梯度材料,还考虑了在传统热弹性耦合模型(CTE模型)下泊松比作为独立变量变化时的影响。