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Eshelby夹杂理论高温冻土累积塑性应变修正模型

针对不同黏粒含量的高温冻土,基于Eshelby夹杂理论分析了冰含量与等效变形模量之间的关系,在此基础上引入模量比对现有的Monismith累积塑性应变模型进行修正,得到了一种新的高温冻土累积塑性变形预测模型,并采用室内试验结果进行验证。结果显示:模型数据与试验数据具有较好的吻合度。新提出的修正Monismith累积塑性应变预测模型表征了冰含量与土体变形模量之间的关系,其可以较准确地模拟高温冻土整个动应变过程,并且能够反映组构变化所诱发的高温冻土累积变形特征的不同。

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。

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.

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.

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。

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。

颗粒增强金属基复合材料强化理论模型研究与发展

简要介绍了等效夹杂、平均应力场以及应变梯度塑性理论等几种常用颗粒增强金属基复合材料强化理论模型的发展情况,总结了国内外学者对各强化理论模型的修正情况,讨论了各强化理论模型的优缺点以及适用性,提出了颗粒增强金属基复合材料强化理论模型的发展方向。

含片状缺陷共晶复合陶瓷的细观强度模型

根据缺陷在共晶复合陶瓷中的分布特点,假设缺陷为片状、缺陷周围介质为横观各向同性,建立了含缺陷共晶复合材料的细观力学模型;根据损伤理论定义了胞元等效外载应力场,依据等效夹杂理论得到了含缺陷各向异性基体复合材料Griffith强度,考虑缺陷的空间分布随机性得到了复合材料强度与缺陷尺寸、缺陷体积含量等参数的关系。结果表明:强度与缺陷半径的-1/2次方成线性关系,且缺陷尺寸较小时强度变化明显;片状缺陷体积含量对强度影响显著,尤其当缺陷含量小于3%时,少量缺陷即可造成强度极大地下降;缺陷形状及基体的各向异性对强度也有着重要影响,各向同性基体中片状缺陷不为圆形时,缺陷始终从短轴开始扩展,各向异性基体中片状缺陷为圆形时,则缺陷首先从弹性模量大的方向上扩展,最终缺陷形状和弹性模量满足特定的比例关系。

焊点／底充胶夹层等效弹性常数的简化分析

将高阶逐层离散层板模型和均匀化理论相结合,应用于具有非完全(单层内)周期性微结构的多层结构,用解析法分析了电子封装结构中由焊点和底充胶构成的非均质夹层的等效弹性常数．计算结果与已有结果进行了比较,验证了文中分析方法的有效性和简便性．

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.

氮化硅结合碳化硅砖的微观结构模型及热冲击载荷下裂纹起始行为

为了研究热冲击载荷下耐火陶瓷材料的微观失效机制,基于Eshelby等效夹杂理论和Voronoi网格,建立了存在不同数量级粒径的船用增压锅炉用氮化硅结合碳化硅砖的微观结构模型,验证了微观模型的准确性。在上述微观结构模型的基础上进行有限元和扩展有限元计算,得到其停炉最危险时刻的瞬态微观应力场和微裂纹萌生扩展规律,进而得到其热冲击失效的微观机制,较好解释了碳化硅耐火陶瓷的失效机制。

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.

非均质炸药的Eshelby夹杂理论相场方法

考虑到夹杂-基体界面微结构复杂失效过程对非均质PBX(高聚物黏结炸药)材料损伤起始具有主导作用,本文提出基于Eshelby夹杂理论的相场损伤模型,对非均质PBX炸药损伤形核演化进行数值模拟。相场能量由弹性能和夹杂-基体相互作用能构成,结合Mori-Tanaka方法推导不同级配下PBX炸药等效力学模量,相场内变量的变化直接反映了非线性脱黏效应下的损伤分布。采用Eshelby夹杂理论相场方法计算高模量比非均质PBX炸药圆形和多边形颗粒夹杂典型结构,分析加载条件、颗粒形状、体积占比、模型参数对夹杂-基体界面脱黏机制的影响。数值结果表明:夹杂-基体界面微结构演化加速了界面脱黏与宏观损伤的形成,与实验观测是一致的。

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.

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.