热阻对材料断裂行为影响研究

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材料或结构的断裂普遍存在于工程以及日常生活中。随着复合材料的不断发展和广泛应用,不仅材料的组成更加复杂,对材料及结构的精度、稳定性及其工作环境也提出了更高的要求。尤其在高温载荷作用下,由于不同材料之间力学和热学参数的不匹配而产生的变形不协调等原因,在材料的连接界面或界面附近产生微小裂纹。这些微裂纹的存在不仅降低了材料的传热性能,也使其力学性能及结构可靠性受到不利影响,往往是导致复合材料失效或断裂的主要原因。由于热阻在材料和结构的绝热、散热及热变形中起到重要作用,而热阻问题的研究又通常是涉及多场耦合的复杂课题,因此,考虑热载作用下热阻对材料断裂问题的影响,对于减小材料的应力集中及热变形、提高材料或结构的稳定性及可靠性具有重要意义。本文考虑热阻的作用,研究了不同材料及结构条件下裂纹在远端热流载荷作用下的断裂特性。论文的主要内容如下:第一章主要介绍了有关热阻的基本概念,以及热阻问题的研究背景与国内外研究现状,确立了本文的主要工作方向和内容。第二章主要通过积分方程以及Fourier积分变换等方法,对均匀热流载荷作用下单一材料中具有不同绝热性质的水平裂纹的断裂问题进行了分析。第三章考虑了裂纹尖端粘聚区域的热阻作用,对单一材料中的粘聚裂纹在远端热流载荷作用下的断裂问题进行了研究。讨论了热流载荷的大小对裂纹尖端粘聚区域长度的影响,以及粘聚区域热阻的变化对沿裂纹方向的温度场和应力场分布、裂纹位移等的影响。第四章讨论了材料连接界面附近的裂纹在热流载荷作用下的断裂问题。考虑了两个相互连接的半无限大各向同性板,分别在力学参数相同而热学参数不同,以及力学和热学参数都不同的条件下,界面热阻对界面附近裂纹上下表面温度变化的影响,以及裂纹与材料连接界面之间的距离对裂纹的应力强度因子、裂纹的张开和滑移位移的影响。第五章讨论了复合材料连接界面上的界面裂纹在热流载荷作用下的断裂问题。分析了裂纹的绝热系数对裂纹表面温度变化的作用,以及裂纹尖端界面热阻区域的长度、热阻的大小对裂纹的应力强度因子以及裂纹的张开和滑移位移等的影响。第六章对含尖端塑性区域的界面裂纹在均匀热流载荷作用下的断裂进行了分析。综合考虑了裂纹的绝热系数、裂纹尖端塑性区域热阻以及界面热阻、热流载荷等对裂纹尖端塑性区域的长度、裂纹面的温度变化、裂纹区域的热应力分布的影响。第七章主要是对本文的总结与展望,并对本文的创新点作了如下总结:(1)通过Fourier积分变换,对含尖端粘聚区域的裂纹进行了分析和计算。通过简单的迭代方法,求解了力-热耦合条件下裂纹尖端粘聚区域的长度,分析了热流载荷、粘聚区域热阻对裂纹断裂特征的影响。(2)考虑界面热阻的作用,基于Fourier积分变换以及Chebyshev多项式,对平行于材料连接界面的裂纹进行了分析。讨论了两种不同材料组合条件下,材料的物性参数、界面热阻、裂纹与界面之间的距离以及材料的组合顺序等对裂纹的应力强度因子、裂纹位移等的影响。(3)考虑裂纹尖端区域界面热阻的作用,对热流载荷作用下界面裂纹进行了分析。假设裂纹尖端区域界面为力学性能完美的非理想传热面,讨论了组分材料在力学参数相等而热学参数不同的条件下,界面热阻、裂纹部分绝热系数以及裂纹尖端非理想传热区域的长度等对界面裂纹的影响。(4)对含尖端塑性区域的界面裂纹进行了分析。通过Fourier积分变换以及简单迭代的方法,对力-热耦合条件下塑性区域的长度进行求解,并讨论了热流载荷、裂纹部分绝热系数、塑性区域热阻等对塑性区域的长度以及裂纹面温度变化的影响。
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