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功能梯度材料热弹性断裂问题研究

作　者: 周宏亮
导　师: 吴林志
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程力学
关键词: 功能梯度材料积分变换法热弹性耦合有限元法
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-18
  1.1 课题来源及研究意义  8
  1.2 国内外研究现状  8-16
    1.2.1 功能梯度材料断裂问题研究  9-12
    1.2.2 功能梯度材料热弹性耦合行为研究  12-16
  1.3 学位论文的主要研究内容  16-18
第2章功能梯度涂层-基体结构的断裂问题研究  18-35
  2.1 问题的提出  18-19
  2.2 温度场和应力场的求解  19-22
  2.3 推导应力强度因子  22-25
  2.4 结果与分析  25-34
    2.4.1 热载荷作用下界面温度场分析  26-31
    2.4.2 热/机械载荷作用对应变能释放率的影响  31-34
  2.5 本章小结  34-35
第3章热弹性耦合问题的有限元分析  35-57
  3.1 热弹性耦合问题的控制方程  35-37
  3.2 热弹性耦合问题有限元格式的推导  37-45
    3.2.1 一般形式的有限元格式推导  37-41
    3.2.2 无量纲形式的有限元推导  41-43
    3.2.3 有限元中应力的计算方法  43-45
  3.3 有限元程序的编写及验证  45-56
    3.3.1 动力学问题的算例分析  46-47
    3.3.2 热传导问题的算例分析  47-48
    3.3.3 瞬态热传导问题的算例分析  48-49
    3.3.4 传统热弹性耦合问题的算例分析  49-52
    3.3.5 功能梯度材料问题的算例验证  52-56
  3.4 本章小结  56-57
第4章功能梯度材料热弹性问题研究  57-73
  4.1 均匀材料热弹性耦合行为分析  57-62
    4.1.1 不同热弹性耦合模型的温度场和位移场分析  58-61
    4.1.2 松弛时间的影响  61-62
  4.2 功能梯度材料热弹性耦合行为分析  62-68
    4.2.1 不同热弹性耦合模型的温度场和位移场分析  64-65
    4.2.2 不同材料参数变化时的结果分析  65-67
    4.2.3 松弛时间的影响  67-68
  4.3 泊松比作为独立变量变化的影响  68-72
    4.3.1 不同泊松比变化属性的影响  69-70
    4.3.2 泊松比为不同常数时的影响  70-71
    4.3.3 泊松比具有不同指数变化系数时的影响  71-72
  4.4 本章小结  72-73
结论  73-74
参考文献  74-80
攻读学位期间发表的学术论文  80-82
致谢  82

功能梯度材料热弹性断裂问题研究

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