热和机械载荷冲击下涂层结构断裂强度分析方法研究

1. A general weight function method (GWFM) for crack problems of coated materials subjected to shock load is studied. The GWFM is a useful technique to calculate the variation of stress intensity factor along crack tip with time in whole shock process by integrating the product of temperature field/ pressure field and general weight function rather than analyze the transient stress in every moment, so that the efficiency of solving the shock problems is greatly increased. 2. The basic theory and solving technique of finite variation method (FVaM), a new numerical method to solve the GWFM, are studied, including the rigorous mathematical and mechanical expression of FVaM, the basic method and solving scheme in solving problems with FVaM, and the means to improve the computing precision of FVaM. 3. The interfacial crack propagation criterion is studied and established based on the analyzing the oscillatory singularity of the stress field near the interfacial crack tip. The above innovative researches compose a whole basic theory and method of fracture anaysis for non-interfacial cracks and interfacial cracks in coated materials subjected to thermal and mechanical shock loads. The established method is developed on a general structural analysis system so as to obtain the effective GWFM and FVaM programme with independent intellectual property rights.

1．研究涂层材料在各类冲击载荷下裂纹问题的综合权函数法（GWFM）。利用综合权函数法，避免对每一时刻作瞬态应力分析的过程，直接通过温度场、压力场与综合权函数的乘积的积分计算整个冲击过程中应力强度因子沿裂纹前缘分布随时间的变化过程，大大提高各类冲击问题的计算效率。2．研究求解综合权函数法的一种新型数值方法-有限变分法（FVaM）的基本理论和求解技术，包括FVaM的严格的数学和力学表达形式、FVaM解决问题的基本方法和求解格式、提高FVaM计算精度的方法和措施等。3．通过对界面裂纹尖端附近振荡奇性应力场的分析，研究和建立界面裂纹扩展准则。以上三项创新性研究工作，构成了一套涂层材料非界面裂纹和界面裂纹在热和机械冲击载荷下断裂分析的基本理论和方法。将建立的方法在通用结构分析系统上进行开发，建立能在通用结构分析环境下直接运行的GWFM和FVaM分析的计算程序系统（拥有自主知识产权）。

1．从严格的数学力学基本原理出发，建立了涂层材料（双相材料）冲击载荷下界面和非界面裂纹问题的综合权函数法（GWFM）的基本方程和方法，利用综合权函数法，避免了每一时刻作瞬态应力分析的过程，直接通过温度场、压力场与综合权函数的乘积的积分计算整个冲击过程中应力强度因子沿裂纹前缘分布随时间的变化过程，大大提高了冲击问题的计算效率，与通常的有限元分析相比，提高效率一个数量级以上。2．研究了求解综合权函数法的一种新型数值方法—有限变分法（FVaM）的基本理论和求解技术，包括FVaM的严格的数学和力学表达形式、FVaM解决问题的基本方法和求解格式、提高FVaM计算精度的方法和措施、自身一致性等。3．通过对界面裂纹尖端附近振荡奇性应力场的分析，在单相材料裂纹扩展准则的基础上，研究和建立了界面裂纹扩展的最大环向应力准则。以上三项研究成果具有创新性，构成了一套双相材料材料界面裂纹和非界面裂纹在热和机械冲击载荷下断裂分析的基本理论和方法。4.进行了金属/非金属以及金属/金属双材料界面裂纹静态和冲击断裂试验研究。5.在以上研究工作基础上，在通用有限元结构分析系统上进行了开发，建立了可在MSC/MARC、ABAQUS和ANASYS等平台运行的GWFM和FVaM分析程序系统。6.为了适应我国重大工程重大装备关键零部件的分析设计需求，开发了WARP3D环境下的GWFM和FVaM分析程序系统（包括核心分析系统和前处理系统和后可视化处理系统），并推广应用。