夹杂物干涉机制及其对材料细观损伤的影响机理内容简介

本书基于Eshelby等效夹杂物方法，以多夹杂物间的干涉机制及其对材料细观损伤的衍生和演化的影响为研究对象，通过数值计算、数字全息干涉实验和有限元分析技术，对复合材料的损伤演化问题进行详细阐述。　全书由6章构成。第1章对夹杂物领域的研究现状进行综述；第2章基于Eshelby等效夹杂物方法，参考Moschovidis方法，编写能用于计算不同类型多夹杂物应力应变场的数值计算程序；第3章通过与文献中的计算结果比较，验证本书编写的多夹杂物数值计算程序的合理性和可靠性；第4章在不同疲劳应力水平下，对颗粒增强铝基复合材料细观损伤的衍生和演化情况进行细观观测；第5章开发数字实时全息测量系统，研究典型构型空洞和裂纹的干涉应变场，与本书的计算结果进行对比分析；第6章改进多颗粒随机分布有限元模型，分析颗粒增强复合材料中颗粒的开裂、脱粘、微裂纹萌生演化等细观损伤的衍生和演化机理。

第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 夹杂物研究进展 1

1.2.1 夹杂物对基体力学性能的影响 1

1.2.2 夹杂物理论的发展与应用 2

1.3 颗粒增强金属基复合材料的研究进展 6

1.3.1 颗粒增强金属基复合材料的发展应用 6

1.3.2 颗粒增强金属基复合材料的研究现状 6

1.4 目前研究工作存在的主要不足 16

1.5 本书的主要研究内容 16

第2章 等效夹杂物研究方法 18

2.1 Eshelby解析方法 18

2.1.1 均匀性夹杂物 19

2.1.2 弹性模量与基体弹性模量相同的各向同性椭球夹杂物 20

2.2 Moschovidis数值方法 23

2.2.1 椭球夹杂物本征应变的多项式描述 24

2.2.2 等效方程和应变场 25

2.3 Eshelby方法与Moschovidis方法的比较 26

2.4 多个非均匀性夹杂物等效方程 26

2.5 本章小结 28

第3章 多夹杂物数值计算 29

3.1 多夹杂物数值计算程序 29

3.1.1 主程序基本步骤 29

3.1.2 主程序中的张量处理 29

3.1.3 主程序中的部分变量、过程和函数 30

3.1.4 与计算Dijkl…及其各阶导数Dijkl，q…相关的子程序 33

3.2 多夹杂物数值计算程序计算结果分析 33

3.2.1 与球形空洞精确解的比较 33

3.2.2 与单个空洞和两个空洞数值计算结果的比较 34

3.3 多夹杂物间的应力场计算及其相互影响分析 38

3.3.1 孔洞群及裂纹群的局部应力场 39

3.3.2 硬质夹杂物区域的局部应力场 41

3.3.3 不同类型夹杂物间相互作用的影响 45

3.4 本章小结 48

第4章 颗粒增强铝基复合材料细观损伤实验分析 50

4.1 试样制备及材料性能测试 50

4.1.1 试样制备 50

4.1.2 材料的微屈服性能及弹性模量测试 50

4.2 复合材料微结构细观观测 52

4.2.1 拉伸疲劳试验 52

4.2.2 压缩疲劳试验 57

4.3 细观观测结果讨论 61

4.4 本章小结 63

第5章 数字实时全息干涉实验 64

5.1 全息技术发展概要 64

5.2 数字全息技术 65

5.3 数字全息干涉术的基本理论 65

5.3.1 传统全息的二次曝光法的基本原理 65

5.3.2 数字全息干涉术的记录与再现 67

5.4 传统4f系统的改进及数字实时全息测量的实现 69

5.4.1 等效4f系统 70

5.4.2 测量数据处理原理 71

5.4.3 消零级衍射干扰的处理 72

5.5 数字全息干涉实验 74

5.5.1 酒精灯火焰的数字全息再现 74

5.5.2 夹杂物应变场数字实时全息与传统实时全息测量结果比较 77

5.6 数字实时全息测量系统讨论 79

5.7 夹杂物应变场的数字全息测试及其与数值计算结果的比较 80

5.7.1 空洞 81

5.7.2 裂纹 83

5.8 本章小结 85

第6章 有限元损伤分析技术 87

6.1 弹性力学的基本方程和变分原理 87

6.1.1 弹性力学基本方程的矩阵形式 87

6.1.2 虚功原理 91

6.1.3 线弹性力学的变分原理 92

6.2 颗粒增强复合材料有限元模型的建立 92

6.2.1 立方胞体模型 93

6.2.2 多颗粒随机分布胞体模型 94

6.2.3 轴对称胞体模型 95

6.2.4 平面应变胞体模型 96

6.2.5 数值模拟的控制方程 96

6.2.6 模型的边界条件以及网格设置 98

6.3 颗粒增强复合材料的有限元损伤分析 99

6.3.1 对颗粒增强复合材料弹性模量的有限元计算 99

6.3.2 颗粒增强复合材料拉应力状态下的应力分布情况及细观损伤分析 100

6.3.3 有限元计算与实验比较及损伤分析 103

6.3.4 轴对称计算与数字全息干涉实验的比较 105

6.4 本章小结 106

参考文献 107

附录A 数值计算程序中采用的公式和定义 114

附录B 球形增强颗粒RSA方法的APDL程序实现 127

附录C 多颗粒随机分布胞体模型中颗粒的位置及半径 130 2100433B

在混凝土细观随机结构实验观测的基础上，深入研究混凝土细观结构的组成特点，建立合理的混凝土细观结构的描述方法；在此基础上，基于固体计算力学最新发展的细观模拟方法，精细模拟混凝土细观裂缝群的产生和发展过程，研究混凝土细观应力随机重分布规律；基于多尺度理论，选取合适的状态变量作为尺度间的桥梁，从细观数值模拟结果出发求解宏观损伤随机演化规律，并与多维连续损伤模型相结合，构成多尺度随机损伤模型的完整体系；采用所建立的多尺度随机损伤模型模拟混凝土结构的全过程非线性行为，有针对性地探索尺寸效应等传统结构非线性分析难以处理的问题，为结构非线性分析与设计提供理论工具与技术支持。

混凝土的细微观结构对材料的宏观损伤演化有着显著的影响，而混凝土材料损伤的产生和发展是结构发生动力灾变的根本原因之一。本项目研究从混凝土的微-纳观结构出发，采用现代试验技术测试了混凝土微-纳观结构的力学性质。基于随机场理论，对混凝土的微-纳观试验数据进行了详细的解构和分析，提取了混凝土细观随机结构的分布和相关特性，进而为基于随机谐和函数方法进行混凝土细观断裂随机场的建模提供了控制参数取值。引入内聚单元方法对混凝土细观断裂随机场进行离散，对混凝土的细观力学行为进行了精细的数值模拟。进而基于多尺度理论，提出了多尺度能量积分，基于混凝土细观数值模拟结果得到宏观损伤演化，研究了宏观损伤演化与单元体几何尺度的依赖性，发展了数值尺寸效应的概念。最后，利用基于细观分析结果得到的多尺度损伤演化规律进行结构的宏观动力灾变模拟。特别研究了苏州中南中心等超高层结构在强震作用下的非线性行为和倒塌全过程。通过本项目研究，混凝土多尺度损伤理论已经基本成型，并且在结构分析和模拟中取得了应用。 2100433B