任意形状热夹杂位移场的三角形单元离散算法

平面夹杂模型在纤维增强型复合材料中有广泛应用.复合材料内部通常含有不规则形状夹杂,而夹杂物的存在能严重影响材料的机械力学性能,往往导致应力集中及裂纹萌生等失效先兆.先前关于多边形夹杂的研究大多数关注受均匀本征应变下的应力/应变解,而对位移的分析较少.基于格林函数方法和围道积分,本文给出了平面热夹杂边界线单元的封闭解析解,可方便应用于受任意分布本征应变的任意形状平面热夹杂位移场的数值计算.当夹杂受均匀本征应变时,只需将该夹杂边界进行一维离散,因而本文方法可直接得出受均匀分布热本征应变的任意多边形夹杂位移场的封闭解析解.当夹杂区域存在非均匀分布本征应变时,可将该区域划分为足够小的三角形单元进行数值计算.众所周知,应力应变场在多边形夹杂顶点处具有奇异性,容易导致数值计算上的处理困难及相应的数值稳定性问题;然而本文工作表明,在多边形顶点处位移场是连续有界的,因而数值稳定性较好.本文算法可以便捷高效地通过计算机编程实现.文中给出的验证算例,均体现了本文离散方法的高精度、以及计算编程的鲁棒性.

等参三角形热夹杂的构造及位移场数值计算

在材料制备和机械设计中,局部温升是造成材料失效和故障形成的重要因素之一.依照微观力学中,采用热夹杂模型可以定量深入地揭示与局部温升所关联的力学机理.在过往的研究中,受均匀热本征应变的夹杂模型广受关注;而相关非均匀分布的热本征应变问题,因其理论推导复杂而研究不多.论文首先给出在平面无限域中,受线性分布热本征应变作用的多边形夹杂的位移场解析解.基于格林函数法和围道积分,推导边界线单元的位移响应封闭解,该解通过叠加可直接给出线性热本征应变作用下的任意多边形夹杂的解析表达式.受到有限元分析中等参单元思想的启发,论文进一步将这种“等参元”方法扩展至求解Eshelby夹杂问题中.在该研究中,三角形单元的本征应变插值公式与位置坐标变换式均使用了相同的形函数与节点参数,因而所构建的单元模型称为等参三角形夹杂模型.论文方法可便捷地用于处理受任何分布热本征应变的任意形状二维Eshelby夹杂问题.相较于传统的有限元分析,论文所构建的数值求解方案实施方便且优势明显:只需在夹杂域上进行三角形网格剖分、而无需在无限的基体域上划分网格,因而可以极大地提高前处理便捷性及计算效率.此外,论文所给出的多边形夹杂解析解,不仅可以更准确地探究微结构附近的热物理机理,还可以有效地规避有限元在夹杂界面和边界犄角附近的致密网格划分,从而节省了大量计算机内存及成本消耗.所给出的算例验证表明,即使对于复杂的热本征应变问题,本算法仍具有良好的精度和可靠性.