基于夹杂边界元法的准晶体颗粒混合复合材料力学特性研究
批准号:
12102458
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张亮亮
依托单位:
学科分类:
固体变形与本构理论
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张亮亮
中文摘要
准晶体颗粒混合复合材料是融合了准晶体材料优异的综合性能,具有广泛应用前景的新型复合材料。准晶体材料自身存在声子场和相位子场的耦合效应。为了有效地设计和优化准晶体颗粒混合复合材料,本项目利用等效夹杂法和边界元法,发展夹杂边界元法,探索准晶体颗粒细观分布规律对复合材料宏观性质影响的物理规律。.颗粒的存在及相互作用会显著影响复合材料的物理力学性质。由于准晶体颗粒混合复合材料本身的多尺度效应、耦合效应、各向异性,使得其力学行为和性能控制的研究十分有限。.本项目利用理论分析和数值模拟,辅以实验验证,着力于建立多相、多尺度、多场耦合的准晶体颗粒混合复合材料的力学模型。分析准晶体颗粒形状,颗粒与颗粒、颗粒与边界相互干涉对准晶体颗粒混合复合材料力学行为的影响,揭示新的物理力学规律,深化对其力学特性的功能控制的认识。优化准晶体颗粒混合复合材料的设计,掌握提高准晶体颗粒混合复合材料物理力学性能的关键技术。
英文摘要
Quasicrystal (QC) particle-mixed composite (QCPMC) is a new class of composite which combines the excellent comprehensive properties of QCs giving rise to many promising technological applications. One difficulty in the mathematical modelling of these materials is the fact, that they intrinsically constitute two-field problems due to a coupling of so-called phonon (physical) and phason (complementary) fields. In order to design and optimize the QCPMCs effectively, this work aim to combine the Equivalent inclusion method (EIM) and the Boundary element method (BEM), developing a new method, so-called inclusion-based boundary element method (iBEM), to explore the physical law of the influence of the quasicrystal particles distribution in mesoscopic scale on the macroscopic properties of QCPMC. .The presence and interaction of QC particles can significantly affect the physical and mechanical properties of QCPMC. However, due to the multi-scale effect, coupling effect and anisotropy of QCPMC, the research on their mechanical behavior and property control is very limited. .Goal of the proposed research initiative is to exploit analytical and numerical modelling approaches in connection with experimental work, in order to establish the multi-phase, multi-scale, multi-field coupling model of QCPMC. Effect of the shape of QC particles, the influence of the interaction between particles and particles, and between particles and boundaries on the mechanical behavior of QCPMC are analyzed to reveal the physical significance and mechanical behavior, and deepen the understanding of the functional control of their mechanical properties. The goal of this proposal is design quantitatively reliability and durability of the materials and thus optimize the design of QCPMC components, and master the key technology to improve the physical and mechanical properties of QCPMC.
本项目主要围绕准晶颗粒增强复合材料的力学特性展开研究,发展了精确、高效且适用范围更广的新理论方法,构建了涵盖力学特性、热弹耦合特性、多种边界条件、多种功能结构以及多种材料非均匀程度的准晶颗粒增强复合材料力学模型。项目着重分析了准晶颗粒增强复合材料的本构特性、耦合效应和各向异性,发展了针对弹性、热弹性颗粒增强复合材料的有效方法和新途径,综合运用了 Green 函数法、Eshelby 等效夹杂法等多种有效手段,构建了准晶体颗粒增强复合材料等效性能预测的理论模型。同时,还建立了考虑多种因素的夹杂边界元法(iBEM)理论模型及数值计算方法,有力推动了对该类复合材料力学特性的深入研究。主要工作及研究成果如下:(1)准晶体材料Green函数及基本解研究。成功获得了多种不同准晶体材料的 Green 函数及 Eshelby 张量的解析表达式,深入研究了准晶层合结构问题、准晶断裂问题以及准晶弹性波问题,全面分析了多场耦合特性、特征尺寸以及边界效应等因素对准晶材料静力学及动力学特性的影响,为深入理解准晶材料的行为提供了理论基础。(2)准晶颗粒增强复合材料宏观性能预测。针对一维正交准晶和一维正交压电准晶颗粒增强复合材料,利用获得的 Green 函数及 Eshelby 张量,构建了能够精准预测其宏观性能的力学模型。详细分析了准晶体颗粒形状、颗粒体积分数、颗粒参数等因素对复合材料等效力学行为的影响规律。基于准晶变分原理,构建了准晶材料的有限单元法,开展虚拟实验模拟并完成对比验证。(3)热弹耦合问题的夹杂边界元模型。针对准晶颗粒增强复合材料等的力学特性、热传导以及热弹耦合行为,利用等效夹杂法、边界元法,构建并拓展夹杂边界元法,考虑颗粒与基质之间的界面性能,深入分析了热膨胀系数、热导率、弹性模量、泊松比等热弹性参数,以及颗粒形状、分布、取向等微观结构对宏观等效性能的影响规律。本项目的研究成果实现了对准晶颗粒增强复合材料与结构的多功能设计和多场耦合性能的优化,为高性能准晶复合材料及结构的设计、制造、使用和检测等提供了全面的理论指导和科学的方法支持,具有重要的理论意义和实际应用价值。
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