THERMAL FRACTURE OF FUNCTIONALLY GRADED PLATE WITH PARALLEL SURFACE CRACKS

This work examines the fracture behavior of a functionally graded material （FGM） plate containing parallel surface cracks with alternating lengths subjected to a thermal shock. The thermal stress intensity factors （TSIFs） at the tips of long and short cracks are calculated using a singular integral equation technique. The critical thermal shock △Tc that causes crack initiation is calculated using a stress intensity factor criterion. Numerical examples of TSIFs and △Tc for an Al2O3/Si3N4 FGM plate are presented to illustrate the effects of thermal property gradation, crack spacing and crack length ratio on the TSIFs and △Tc. It is found that for a given crack length ratio, the TSIFs at the tips of both long and short cracks can be reduced significantly and △Tc can be enhanced by introducing appropriate material gradation. The TSIFs also decrease dramatically with a decrease in crack spacing. The TSIF at the tips of short cracks may be higher than that for the long cracks under certain crack geometry conditions. Hence, the short cracks instead of long cracks may first start to grow under the thermal shock loading.

轴对称热冲击SIF过渡过程分析的热权函数法

热权函数法利用温度与热权函数的乘积的积分来直接计算热冲击过程中裂纹尖端的应力强度因子过渡过程。热权函数与时间τ无关。由于免除了对每一时刻τ所需作的有限元或边界元分析 ,计算过程大大简化 ,计算效率得到极大提高。本文将热权函数与有限元法直接耦合 ,给出了基于刚度阵导数法的轴对称问题的热权函数计算格式。实例计算表明 。

热冲击应力强度因子过渡过程分析的热权函数法

热权函数法利用温度与热权函数的乘积的积分来直接计算热冲击过程中裂纹尖端的应力强度因子过渡过程。热权函数与时间τ无关。由于免除了对每一时刻τ所需作的有限元或边界元分析，计算过程大大简化，计算效率得到极大的提高。本文将热权函数与有限元法直接耦合，给出了基于刚度阵导数法和Gauss-Chebyshev积分的热权函数计算格式。实例计算表明，本文给出的热权函数计算格式具有满意的计算精度。

非均匀复合材料的动态热弹性断裂力学分析

对非均匀复合材料的动态热弹性断裂力学问题进行了研究，假设材料参数沿厚度方向为变化的，沿该方向将复合材料划分为许多单层，取每一单层材料参数为常数，应用Fourier变换法，在Laplace域内推导出了控制问题的奇异积分方程组，给出了热应力强度因子的表达式，然后利用Laplace数值反演，得出了裂纹尖端的动态应力强度因子．本文的方法具有以下特点：（1）多个垂直于厚度方向的裂纹，（2）材料可以为正交各向异性：（3）考虑了惯性效应．作为算例，研究了带有两个裂纹的功能梯度结构，分析了材料参数的变化对应力强度因子的影响．

功能梯度材料的热/机械耦合分析研究进展

对功能梯度材料结构的热／机械耦合问题的研究现状进行了评述，包括分析方法的进展、热载作用下的裂纹问题、优化设计问题、细观力学问题等，然后提出了需要进一步研究的方向．

对称型梯度功能材料的瞬态热应力强度因子

采用摄动法推导出无限大对称型梯度功能材料平板的一维非定常温度场及非定常热应力场的解析表达式 ,并采用权函数法计算了受热冲击的含双边裂纹的对称型梯度功能材料平板的瞬态热应力强度因子 .通过两种Al2 O3 TiC系梯度功能陶瓷平板表面冷却条件下的计算实例并与均质陶瓷材料对比 ,分析了材料的热 物理性能分布规律对瞬态热应力强度因子的影响 。

求解平面和轴对称热冲击问题的热权函数有限元法

根据三维通用权函数法的普遍表达式 ,给出了轴对称问题和平面问题热权函数法的基本公式 .并利用刚度阵导数法 ,将热权函数法与有限元法直接耦合 ,给出了二维问题的热权函数有限元法计算格式 .实例计算表明 ,该文给出的计算方法具有极高的计算效率和满意的工程应用精度 .

基于热权函数法的平面Ⅰ、Ⅱ型复合应力强度因子计算

采用热权函数法对热冲击下复合型裂纹的应力强度因子进行求解,将热权函数法与有限元法直接耦合,给出了热权函数法计算复合型裂纹应力强度因子的有限元格式,利用虚拟裂纹扩展技术用于热权函数的计算。对典型例题进行了计算,通过与其他方法计算得到的结果进行比较,证明热权函数法具有较高的计算效率,并且又具有满意的工程应用精度。

热机荷载下含梯度涂层的弹性条中裂纹问题(英文)

研究了热机荷载作用下含功能梯度材料涂层的裂纹弹性底层条问题,提出一些新的边界条件,假设裂纹面上的温度降低是由通过裂纹的控制热传导的因子造成,利用傅里叶积分变换,将热弹性混合边值问题转化为一组奇异积分方程,奇异积分方程组可以利用Chebyshev多项式逼近方法近似求解.给出了温度、位移场和热应力强度因子的数值计算方法.通过算例分析了不同几何参数下裂纹表面标准温度的分布,并讨论了裂纹位置和热弹性非均匀参数对Ⅰ、Ⅱ型裂纹尖端标准热应力强度因子的影响.结果表明:弹性底层厚度不变时,梯度涂层厚度对裂纹表面的温度分布有重要的影响;梯度涂层厚度的变化对底层的裂纹有重要的影响.研究结果有助于对梯度涂层结构热机行为的理解.

求解热冲击下复合型应力强度因子的热权函数法

对热冲击下复合型裂纹的应力强度因子进行研究,给出复合型应力强度因子计算的热权函数法格式。利用刚度阵导数法将热权函数法与有限元法直接耦合,推导热权函数法计算复合型应力强度因子的有限元格式。结合虚拟裂纹扩展技术完成热权函数的计算,热权函数与时间无关,从而免除对每一时刻所需作的有限元或边界元分析,大大简化了计算过程。对典型例题进行计算,通过与直接热弹性力学法计算得到的结果进行比较,证明热权函数法具有较高的计算效率,并且又具有满意的工程应用精度。

热应力下功能梯度条共线裂纹断裂问题分析

为了探讨温度变化对含裂纹的功能梯度材料(FGM)的影响,本文研究了含有两个共线裂纹的功能梯度条的I-型热应力断裂问题。对于稳态热应力下的功能梯度条应用分层方法进行分析,使得不同函数形式表示热机械属性变化下的断裂力学问题能够得到解析解。应用Lobatto-Chebyshev数值方法求得两个裂纹裂尖的热应力强度因子(TSIF)。通过一些算例研究材料热力属性、功能梯度条自由表面温度变化及裂纹几何参数变化对TSIF的影响,特别是对两裂纹间交互对热应力强度因子的影响进行了探讨。结果表明:用不同函数形式描述热机械属性对含有两个裂纹的功能梯度条TSIF有显著影响,该结果可为设计极端温度条件下使用的FGM提供参考。

热权函数法求解热冲击下复合型裂纹应力强度因子

采用热权函数法对热冲击下复合型裂纹的应力强度因子进行求解,给出了热权函数法计算复合型裂纹应力强度因子的有限元格式。对典型例题进行计算,证明热权函数法具有较高的计算效率与满意的工程精度。

热载荷作用下含裂纹功能梯度板的有限元分析

为深入理解功能梯度材料的热断裂行为,研究了热载荷作用下任意热机械属性功能梯度材料板的裂纹尖端特性.利用解析方法推导了不含裂纹功能梯度板的温度场和热应力场,根据叠加法,把热应力场转化为裂纹表面载荷,采用基于非均匀单元的有限元方法计算分析了稳态热载荷下功能梯度板的裂纹尖端特性,并针对不同材料热机械属性分布形式,考察了热应力强度因子的变化规律.研究结果表明,材料属性的分布形式对热应力强度因子的变化规律具有显著影响,这说明只假设材料属性为某一特定函数形式的做法,不能充分反映各种实际功能梯度材料属性分布形式对裂纹尖端特性的影响.

热冲击下带裂纹功能梯度厚壁圆筒的分析

针对功能梯度材料热冲击下的断裂问题,对功能梯度材料的材料参数分类进行加权处理,建立带裂纹功能梯度厚壁圆筒的模型;给出热量平衡方程与边界条件,建立相关问题的有限元分析格式;改进Calahan算法以适用于带状稀疏矩阵的一阶非齐次常微分方程组,完善温度场的求解过程,计算了裂纹尖端的温度应力强度因子,并且分析功能梯度材料组分构成对温度应力强度因子的影响。以上研究为带裂纹功能梯度厚壁圆筒的可靠性分析及结构优化设计提供了参考。

热权函数法在MSC.Marc中的实现方法研究

根据热权函数法的有限元计算格式,结合MSC.Marc软件的计算环境和用户子程序接口,本文对热权函数法在MSC.Marc软件中的实现方法进行了研究。通过实例分析,验证了结果的可靠性。本文研究结果为热应力强度因子在MSC.Marc环境下的高效率计算提供了有效的方法。

十二次二维准晶圆形弧段裂纹的热应力分析

利用复变函数方法,针对十二次二维准晶圆形弧段界面多裂纹的热应力问题进行分析。结合柯西型积分、分区全纯函数理论、广义Liouville定理、Riemann-Schwarz解析延拓定理以及复应力函数奇性主部分析,导出了集中热源作用于基体内任意一点时夹杂内外温度场、声子场及相位子场的一般复势解。所得结果与已有结果进行了对比,验证了该方法的有效性。数值算例讨论了夹杂半径、点热源强度对应力及裂纹尖端应力强度因子的影响规律,以期更好地指导准晶材料的设计和应用。

含界面裂纹圆形夹杂的十二次对称二维准晶热应力分析

针对点热源作用下,无限大十二次对称二维准晶基体和圆形弹性夹杂界面之间含多条裂纹的问题进行了研究。基于复变函数分区全纯理论、留数定理、广义Liouville定理、Riemann-Schwarz解析延拓定理及复应力函数奇性主部分析方法,获得了集中热源作用于准晶基体内任意一点时,准晶基体和圆形弹性夹杂内外温度场、声子场热应力的一般复势解。由此获得了含一条界面裂纹和两条界面裂纹时温度场以及声子场热应力的封闭形式解答,将所得结果与已有结果进行了对比,验证了该方法的有效性。最后通过数值算例分析了夹杂半径、点热源强度及裂纹角度对热应力和裂纹尖端热应力强度因子的影响规律。结果表明:随着热源强度的增大,裂纹尖端的声子场热应力也逐渐增大;随着裂纹角度的增大,裂纹尖端的声子场热应力强度因子变大;随着半径的增大,热应力强度因子的变化趋势越来越明显,并且取得的峰值越高,即裂纹角度和夹杂半径的增加,促进了裂纹的扩展。这些结论为准晶材料的结构设计和使用提供了科学依据。

基于ANSYS的平面Ⅰ/Ⅱ复合型热权函数计算技术研究

对热权函数法计算热载荷作用下平面复合型SIF的过程中权函数U/a的有限元计算方法进行了分析研究。计算权函数U/a的关键是计算U0/a应用虚拟节点力法结合ANSYS有限元分析结果数据提取的方法,设计了ANSYS环境下计算U0/a的具体方法。最后通过实例说明了所设计的计算方法的可行性和正确性。

基于ABAQUS平面裂纹热权函数的计算

热权函数法适用于热载荷作用下裂纹尖端应力强度因子过渡过程的计算,文章对平面裂纹体热权函数法中权函数U/a的计算进行了分析研究。用虚拟结点力法与ABAQUS有限元分析相结合,并组装得到整体刚度矩阵,对相关数据提取运算实现了权函数U/a中dU0/da的计算,通过等效结点力加载并有限元分析最后得到平面裂纹体的权函数场的分布。

热对流作用下筒壁涂层的边裂行为

边裂(边缘开裂)是涂层热致损伤的主要模式之一.边缘裂纹穿透涂层后,常导致界面脱粘从而驱使涂层与基体剥离,最终丧失对基体的保护作用.本文以热应力强度因子表征边缘裂纹的扩展驱动力,研究筒壁涂层在热对流作用下的边裂行为.首先,利用拉普拉斯变换法,得到了瞬态温度场及热应力场的封闭解.其次,运用Fett等的三参数法确定了筒壁涂层边缘裂纹的权函数.最后,基于叠加原理和权函数方法计算了边缘裂纹的热应力强度因子.探讨了无量纲时间、边缘裂纹深度、基体/涂层厚度比、热对流强度等参数对热应力强度因子的影响规律.结果表明:热应力强度因子的峰值既非发生在热载荷初始时刻,也非发生在热稳态时刻,而出现在时间历程的中间时刻;增大热对流强度不仅可提高热应力强度因子的峰值,而且使峰值提前出现;其他条件相同时,热应力强度因子随着边缘裂纹长度的增大而降低;增大涂层厚度或减小基体厚度可增强涂层抵抗瞬态热载荷的能力.