功能梯度电磁弹复合材料的多裂纹动态断裂行为研究

With the rapid development of science and technology, multi-field coupling electro-magneto-elastic composite materials have been widely used in the manufacturing of advanced equipments and intelligent components. The safety of those composite materials which are under dynamic load has been a key issues in the engineering. The project focus on the functionally graded electro-magneto-elastic composite materials, studies the dynamic fracture problem of multiple cracks. The main contents include: establish the fracture analysis model of multi-cracked functionally graded electro-magneto-elastic composite materials, and obtain the singular physical field near cracks for the four kinds of ideal electromagnetic condition along the crack surface, including two-dimensional and three-dimensional problems; analyze the interaction between multiple cracks; study the fracture criterion of those composite materials. The purpose of this project is to: obtain a comprehensive understanding of dynamic fracture behavior of those materials with multiple cracks; reveal the relation among the crack and mechanism of interaction of multiple cracks; study the scope of application of the conventional fracture criterion, and establish a more comprehensive evaluation system. The successful implementation of the fund will enrich fracture mechanics theory, provide a scientific basis for the design of safety and the resistance to crack propagation.

随着科学和技术的迅猛发展，具有多物理场耦合特性的电磁弹复合材料已经广泛应用于先进设备和智能元件的制造业中。该类材料在动态荷载环境下服役的安全问题，已经成为工程中亟待解决的关键问题。本项目以一类具有功能梯度分布的电磁弹复合材料为研究对象，针对其在动态荷载作用下的多裂纹断裂问题展开研究。主要内容包括：建立功能梯度电磁弹复合材料的多裂纹断裂力学模型；针对四种理想电磁裂纹面假定，求解多裂纹附近的奇异物理场，包括二维和三维问题；分析多裂纹之间的相互作用；研究该类材料断裂行为的判断方法。本项目旨在：全面认识该类材料的多裂纹动态断裂行为；揭示多裂纹之间的作用机理以及影响规律；探明传统断裂准则的适用范围，形成一个比较完善的评估系统。本基金项目的成功实施，将丰富该类材料的断裂力学理论，为该类材料的安全评估以及抗裂纹设计提供科学依据。

材料科学已经成为当代社会物质文明进步的根本性支撑之一，是国民经济、国防及其他高新技术产业发展不可或缺的物质基础。本项目针对具有多物理场耦合特性的电磁弹性复合材料断裂问题展开研究。主要研究内容包括：建立单相和多相电磁弹性复合材料的解析断裂力学模型，求解四种理想电磁裂纹假设下的裂纹尖端奇异物理场和断裂参数（强度因子和能量释放率）的解析表达式；分析裂纹条件对断裂参数的影响，讨论现有断裂参数的适用范围并探讨合理的断裂准则；提出一种具有贝壳仿生结构的电磁弹性材料抗断裂设计，揭示其增韧机理；提出一种适用于电磁弹性材料断裂参数计算的辛离散有限元方法；开发功能梯度电磁弹性复合材料的多裂纹分析软件系统，探明该类材料中多裂纹的断裂行为和相互作用规律。本项目的主要研究成果包括：以辛本征解函数解析表征了电磁弹性复合材料的裂纹尖端奇异物理场，将断裂参数归结为辛本征解的特定项待定系数；以理想电磁裂纹假设评估了断裂参数的适用范围，提出了以强度因子和能量释放率共同作为评价指标的评估准则；以结构仿生方式提出电磁弹性材料的增韧设计，提出在满足最低强度需求的前提下尽量降低界面的连接强度设计方案；以高精度、高效率的辛离散有限元方法开发功能梯度电磁弹性材料的多裂纹断裂分析软件系统，探明了裂纹位置与裂纹间距对断裂参数的影响规律。上述研究成果共发表学术论文22篇，其中SCI期刊论文12篇，获得发明专利1项，授权软件著作权2项。本项目的研究成果可以丰富断裂力学研究，为电磁弹性材料的断裂分析提供一种新的解析方法。同时，相关算法也为软件分析平台提供了计算模块，有望为行业提供相关技术服务。