基于Eshelby等效夹杂理论的Terfenol-D复合材料磁致应变模型

基于Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka方法建立了Terfenol-D复合材料中合金颗粒平均应力、扰动应变和复合材料整体平均应变的计算模型,并利用此模型对Terfenol-D复合材料在不同制备工艺条件下的饱和磁致伸缩应变进行了计算.结果表明:Terfenol-D复合材料的饱和磁致伸缩应变随粘结剂含量的增加而呈线性下降,但粘结剂含量不能过少,合适的粘结剂含量应在2.5%～4.0%之间;随复合材料外加预压应力的增大,其饱和磁致伸缩应变增大;实验结果与模拟结果的数据曲线趋势一致.

基于损伤力学的粉末合金中夹杂等效方法研究

为了更简便、合理地分析粉末合金中夹杂对其低周疲劳寿命的影响,本文基于损伤力学建立了低周疲劳损伤累积模型,进而提出了保证夹杂处裂纹萌生寿命不变的等效原理。之后,通过将夹杂分类,结合其低周疲劳寿命的主要影响参数确定了具体的等效原则,并通过MATLAB对等效方法进行实现。最后,结合数值模拟分析夹杂的等效精度,对大量夹杂图像进行等效,分析该方法的具体适用性,并提出适用于典型粉末合金夹杂的等效因子范围。

利用复变格林函数法的Eshelby夹杂外场的一般显式解析解

针对目前仍然没有文献给出椭圆异性夹杂外场的完全显式解析表达的情况,通过重新研究二维Eshelby椭圆异性夹杂问题,得到了具有均匀特征应变分布的Eshelby椭圆异性夹杂在远场载荷作用下内外场的一般显式解析解。此外,重新研究了经典的Inglis椭圆孔问题,得到了其在直角坐标系下的显式解析解。首先利用等效特征应变原理求解了具有均匀特征应变分布和远场载荷作用的椭圆异性夹杂内的应力分布,然后在平面弹性力学框架下,利用复变格林函数法描述了Eshelby椭圆异性夹杂模型,给出了远场载荷下具有均匀特征应变分布的Eshelby椭圆异性夹杂外部场的一般显式解析解,最后探讨了它在液体夹杂问题中的应用,结果表明:内部压力和远场载荷均会导致基体长轴两端端点附近应力高度集中;液体夹杂的存在会减小系统的剪切模量。本文得到的Eshelby椭圆异性夹杂问题的一般解析解更简便,而且其在液体夹杂问题中的研究结果能够解释土体液化的微观机理及液体夹杂对土体滑坡的影响。相比较曲线坐标系下的Inglis解,本文得到的直角坐标系下的Inglis解是一种通用形式,更简洁。

位错与非均匀夹杂相互作用能的解析和数值计算

利用Eshelby等效夹杂法(equivalent inclusion method, EIM)处理非均匀夹杂.考虑了固有本征应变的影响,显式地推导出了不同种类位错与非均匀夹杂的相互作用能.以空洞为例,将所得结果与分子动力学(molecular dynamics, MD)模拟计算值进行了比较,验证了模型的有效性.充分讨论了模型的应用范围,并系统比较了夹杂本征应变与弹性常数对位错-夹杂体系反应能的影响.

Eshelby夹杂理论在岩石力学中的应用探讨

根据夹杂理论在复合材料方面的应用及岩石自身特性,初步分析了Eshelby等效夹杂理论在分析岩石宏观弹性模量、岩石流变以及工程实际等方面的应用,并探讨了理论应用过程中孔隙弹性的处理方法,以供参考。

双材料和半无限大空间中椭球夹杂的稳态热分析

探究了含有多个椭球夹杂的双材料和半无限大空间的稳态传热解.双材料的界面由包含连续性条件的双材料空间格林函数考虑,通过调整参数,该函数可退化为半无限大空间或者无限大空间格林函数.利用Eshelby等效夹杂法(equivalent inclusion method,EIM),将椭球夹杂等效为基底材料和夹杂内连续分布的本征温度梯度场.基于含多项式密度的椭球积分,椭球夹杂的扰动作用由本征温度梯度场和双材料格林函数域积分精确描述.本征场由夹杂形心展开的泰勒级数,并通过各个夹杂形心建立的多项式等效热流方程求解,求解精度由有限元法(finite element method,FEM)验证,实现了无网格求解双材料和半无限大空间中多个椭球夹杂的稳态传热问题.

陶瓷增强功能梯度材料等效特性细观力学模型发展与分析

根据Eshelby提出的均匀弹性体椭球夹杂区域内外点的应变场思想,考虑复合材料中嵌入基体的任意两球形颗粒之间直接相互作用对复合材料等效特性的影响,提出预测功能梯度材料等效材料特性的细观力学方法,并在组分材料含量相近区域引入过渡函数。

细观夹杂理论预测湿态混凝土抗压强度

采用复合材料细观力学方法,探讨各种组分不同体分比、不同孔隙率及不同饱和度情况对湿态混凝土力学性能的影响。混凝土材料各相组分包括:粗骨料、水泥砂浆、活性孔隙和非活性孔隙,其中活性孔隙湿态情况下将由自由水填充。将两类孔隙和水泥砂浆作为等效基体,粗骨料作为硬化夹杂,基于等效夹杂理论和Mori-Tanaka平均场的思想建立了一类双重夹杂模型。并结合细观断裂力学方法建立了综合考虑多种因素的统一的混凝土单轴压缩强度公式,通过参数分析反映各种因素对材料抗压强度的影响。理论分析结果表明:混凝土强度由骨料或水泥砂浆基体中较弱的一相所控制;与干燥混凝土相比,孔隙水的存在将导致湿态混凝土抗压强度降低;理论结果与试验观测现象相一致。

横向增强芯材的等效弹性模量研究

为研究横向增强芯材的等效弹性模量,首先采用基于Eshelby等效夹杂原理的Mori-Tanaka方法,求解出包含横向增强构件的复合材料夹芯板中芯层的等效弹性模量。同时,采用有限元软件ANSYS对芯材元胞进行数值模拟并计算出等效弹性模量,其与Mori-Tanaka方法的计算结果误差基本在5%以内,验证了Mori-Tana ka方法的准确性。在此前提下,继续研究基体和增强构件的弹性模量及尺寸参数等因素对复合芯材等效弹性模量的影响规律。研究结果表明,Mori-Tanaka方法能够有效地用来进行横向增强芯材的等效处理,具有较高的准确性;基体和增强构件的弹性模量及尺寸对厚度方向的等效杨氏模量和面内泊松比影响显著,而对面内等效杨氏模量和厚度方向的泊松比影响较小。

椭球粒子的本征应变边界积分方程与局部Eshelby矩阵

针对粒子增强材料的大规模数值模拟问题,将局部Eshelby矩阵的概念引入到本征应变边界积分方程计算模型中,以解决粒子间的相互作用问题.局部Eshelby矩阵可以看作Eshelby张量和等效夹杂物的概念在数值方面的一种拓广.以全空间边界元子域法为参照,利用计算模型对无限域中的若干椭球粒子进行了三维应力分析.数值算例不仅验证了模型的正确性和方法的可行性,也表现出较高的计算效率,说明该计算模型和方法具有对粒子增强材料进行大规模数值分析的能力.

I型裂纹与任意形状夹杂间的作用力

根据Eshelby等效夹杂理论,导出I型裂纹与任意形状夹杂相互作用力的近似表达式和一些特殊形状夹杂的简化算式.该解可快速算出I型裂纹与任意形状夹杂之间的作用力.由裂纹与夹杂间相互作用力的规律所揭示的复相材料中裂纹扩展特性、裂纹尖端材料的损伤机制和已有的实验观察相符.

夹杂对I型裂纹应力强度因子影响的一般近似解

利用相变增韧理论和Eshelby等效夹杂方法,给出任意形状夹杂对I型裂纹应力强度因子影响的近似解析解.和有限元分析结果比较表明,由于引入远场应力对夹杂的作用,导出的近似解有较好的精度,适用于处理较大尺寸和具有任意形状的夹杂对I型裂纹应力强度因子的影响.

基于Mori-Tanaka方法的炭纤维水泥砂浆力学性能研究

运用Eshelby等效夹杂原理和Mori-Tanaka方法,从细观力学的角度研究炭纤维水泥砂浆复合材料(CFRM)的力学性能,推导出CFRM力学参数表达式。根据CFRM中炭纤维和水泥砂浆的弹性模量和泊松比,分别计算得到炭纤维体积分数为0.3%、0.6%、0.9%时CFRM的力学性能参数值。同时通过实验测得不同炭纤维配比条件下的CFRM力学性能参数值。理论计算与实测的结果对比表明,Mori-Tanaka方法适用于炭纤维含量较低的CFRM复合材料力学性能研究,当炭纤维含量增大时,炭纤维在水泥砂浆中的分布不均匀导致计算结果与实测结果的误差增大。

热对流条件下考虑球形夹杂分布的材料热弹接触摩擦热影响分析

机械传动关键活动零部件接触副往往受到力载荷和摩擦热载荷的耦合作用,使得接触界面间的接触力学行为的分析变得极其复杂.利用基于等效夹杂方法建立的考虑热对流非均质材料热弹接触力学分析模型研究不同摩擦系数、夹杂位置和材料属性等参数对材料表面及内部温升及热应力分布影响规律.此外,进一步分析了接触副材料中含分布球形夹杂时摩擦热造成的影响.结果表明:接触副表面温升梯度受热对流系数的影响较大;下表面温升和热应力随摩擦系数增大而增大;分布夹杂则将接触副材料下表面温升及热应力分布变得更为复杂.

陶瓷颗粒增强复合材料细观力学模型

复合材料属性的预测是研究其力学性能的关键,根据Eshelby均匀弹性体球形夹杂区域内部与外部应变场思想,建立预测复合材料属性的细观力学模型,同时考虑基体介质中任意两球形颗粒间直接相互作用对复合材料属性的影响,并与传统平均场细观力学模型预测结果进行比较。

马氏体岛的体积分数、形状及强度对粒状组织钢力学性能的影响

考虑马氏体岛的塑性变形,采用Eshelby等效夹杂模型对粒状组织钢单向应力状态下的弹塑性变形行为进行了数值模拟.结果表明:粒状组织钢的屈服强度及马氏体处于弹性变形阶段的加工硬化率均随马氏体岛的体积分数的增加而增加,并呈一定的非线性;马氏体岛的形状对粒状组织钢均匀变形阶段的应力-应变曲线影响较小;马氏体岛的强度对粒状组织钢的屈服强度影响不大;马氏体岛的体积分数越低,马氏体岛越难发生塑性变形.

孔隙湿度对混凝土初始弹性模量影响

采用细观力学方法研究湿态混凝土中孔隙及孔隙水对材料初始力学性能的影响.混凝土材料细观孔隙分为活性孔隙和非活性孔隙两类,其中活性孔隙湿态情况下将由孔隙水填充.将非活性孔隙和孔隙水作为两类夹杂,理想无孔隙混凝土作为基体,基于等效夹杂理论和Mori-Tanaka平均场的思想建立了双类夹杂模型.该模型考虑了不同饱和度孔隙水的水化效应和粘滞性对混凝土力学性能的影响.理论结果和试验数据比较表明,该模型可以较为准确地预测孔隙及孔隙水对混凝土弹性模量的影响.

短纤维复合材料的本征应变边界积分方程计算模型

提出了短纤维复合材料的本征应变边界积分方程计算模型,并采用新发展的边界点法进行了求解.模型依据Eshelby等效夹杂物的概念并借助Eshelby张量,采用迭代方法来计算基体中各种性能短纤维的本征应变,其中所需的Eshelby张量不难通过解析或数值方法获得.由于未知量只出现在边界上,与已有的有限元和边界元模型相比,提出的计算模型可极大地减小异质体问题的求解规模,提高计算效率.通过数值算例计算了代表性体积单元上各种短纤维复合材料的整体弹性性能,验证了计算模型和求解方法的正确性和有效性.

含孔隙流体夹杂岩石的等效弹性常数

一般岩石块体中包含若干孔隙,孔隙中含有不同的流体.孔隙和流体对岩块的弹性特性有较大的影响.本文构建了一种"岩石胞元",该胞元由一个孔隙流体夹杂和岩石基体组成.基于Eshelby等效夹杂原理推导出岩石胞元的等效弹性常数张量的表达式.当岩石胞元的孔隙占比与岩块孔隙率相等时,则岩石胞元布满岩块,此时岩块等效弹性常数与岩石胞元的弹性常数相等.当孔隙占比大于岩块孔隙率时,岩石胞元总体积小于岩块体积,岩块等效为岩石胞元和岩石基体的组合体,此时岩块的等效弹性常数为两者弹性常数的体积加权平均值.分析表明,岩石胞元的孔隙占比取值与岩块基体和孔隙流体的特性密切相关,可由试验确定;岩块等效弹性模量随着孔隙率的增大而减小,随着孔隙流体夹杂弹性模量的增大而增大.本文岩块弹性常数估计结果与已有理论和试验结果进行了比较,具有较好的一致性.

复合材料动态粘弹性能的细观研究

利用细观力学的Eshelby等效夹杂方法研究了颗粒增强复合材料的动态粘弹性力学性能 ,分析了材料复模量随夹杂体积分数、载荷频率之间的变化规律 ,给出了许多有意义的结论 ,为复合材料结构的优化设计及应用提供了理论基础 .