【摘 要】
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超导材料在能源、军事、医疗以及科学仪器等领域有着十分广泛的应用前景。超导复合线材在其制备和工作的过程中,受到预应力、电磁体力以及温度应力的共同作用。由于大部分超导材料都是脆性材料,极易在力学载荷作用下发生断裂导致超导复合线材失效,因此研究超导复合材料中的芯丝断裂具有十分重要的意义。近场动力学方法是一种基于空间积分方程的无网格方法,不需要对位移场进行微分,在求解不连续问题如断裂问题时有着较大的优势。
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超导材料在能源、军事、医疗以及科学仪器等领域有着十分广泛的应用前景。超导复合线材在其制备和工作的过程中,受到预应力、电磁体力以及温度应力的共同作用。由于大部分超导材料都是脆性材料,极易在力学载荷作用下发生断裂导致超导复合线材失效,因此研究超导复合材料中的芯丝断裂具有十分重要的意义。近场动力学方法是一种基于空间积分方程的无网格方法,不需要对位移场进行微分,在求解不连续问题如断裂问题时有着较大的优势。近场动力学方法目前较多应用于处理脆性材料的断裂行为研究,而超导复合线材由金属基体和超导芯丝组成,金属基体具有典型的弹塑性行为,需要对近场动力学的方法进行进一步的拓展,从而有效分析超导复合材料中弹塑性变形及芯丝断裂等复杂力学行为。本文结合近场动力学模型,实现了塑性行为近场动力学的表征,并进一步模拟了超导复合线材在外部载荷作用下的裂纹扩展行为,最后尝试与有限元方法耦合来提高计算效率。主要研究内容如下:首先,本文介绍了常规态型近场动力学的理论,与连续介质力学的应变能密度对比得到了常规态型近场动力学理论所需要的材料参数。介绍了两种求解位移的方法,并通过Open MP进行并行计算。其次,通过常规态型近场动力学方法来模拟二维和三维结构的弹塑性行为。在考虑偏应变能的基础上,分别针对平面应力、平面应变和三维问题展开讨论,并着重考虑了在处理平面问题时z方向应变的影响并与有限元的结果进行对比。数值模拟得到的Mises应力和位移结果与有限元方法得到的结果基本一致。通过求解平面应变和平面应力问题,对高温超导Bi2212线材的受压和受拉的断裂失效过程进行了数值模拟。最后,为了提高计算效率,将局部作用的有限元方法与非局部作用的近场动力学方法耦合进行计算,消除了非局部作用引起的边界效应,从而施加边界条件也更加方便。通过对结构进行划分,建立有限元区域、近场区域以及耦合区域,利用动态松弛法求解位移,实现了近场动力学耦合有限元方法的弹塑性分析。
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