纳米多孔材料的动应力集中和等效力学性能研究

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在机械构件中经常存在缺陷如孔制、夹杂和裂纹等不同形式的几何或者物理性质不连续的现象。弹性波在构件中传播时遇到孔洞等缺陷,会在缺陷周围产生散射,导致构件内应力值陡然改变,引发动应力集中现象。当孔洞缩小到纳米尺度,表面效应会对材料性能产生重要的影响。本文基于表面弹性理论和经典弹性理论,结合波动理论和细观力学均匀化思想研究了纳米孔洞周围的动应力集中及弹性波作用下纳米多孔材料的等效力学性质,得到了一系列结论。主要研究内容包括:(1)基于G-M表面弹性理论和经典弹性理论,结合位移势函数法和波函数展开法,求得了无限大空间中一组纳米圆孔周围由平面弹性入射波引发的弹性区域的解析解。研究了孔洞周围的应力分布,并对动应力集中因子进行参数拟合得到了动应力集中因子和表面参数与孔间距的函数关系式。结果表明,孔洞周围的应力不仅与表面效应有关,还与孔洞之间的距离有关。(2)基于Eshelby等效夹杂理论,建立代表体积单元RVE(Representative Volume Element),用Mori-Tanaka法得到了平面弹性波作用下纳米多孔材料的等效弹性模量。分析了表面参数、孔洞体积分数、孔洞间距及入射波频率对等效体积模量和等效剪切模量的影响。结果表明,纳米多孔材料的等效模量不仅受到表面效应和孔洞体积分数的影响,还与入射波频率有关。(3)基于能量等效原理,建立了纳米多孔结构在平面弹性波作用下的能量等效模型。利用前面章节的计算结果求出等效模型中各相的平均应变,再代入能量等效方程得到等效体积模量和等效剪切模量。研究了表面参数、孔洞体积分数对等效体积模量和等效剪切模量的影响。相比Mori-Tanaka法,能量法适用于孔洞体积分数较大时纳米多孔材料等效弹性模量的求解。本文研究结果在纳米多孔材料及其构件的设计和应用中具有潜在的工程应用价值。
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