非均匀材料中的非经典热传导相关的机电耦合力学

经典的傅立叶热传导定律认为在材料内部热的传递过程是速度无限的扩散行为，难以反映现代科学技术中的高温、高能、高速加热情况。本项目以非傅立叶热传导(非经典热传导)理论为基础，研究非均匀材料(主要是功能梯度材料及多层压电介质)中的热传导及相关的热/力/电耦合力学行为。建立非均匀材料中非傅立叶热传导问题的有限元素法软件；研究非均匀材料内部的热/机/电场随时间变化的波动特征和耦合行为；以非傅立叶热传导定理为基础，研究非均匀材料的断裂力学，给出热裂纹尖端场的时空相关性和波动行为；建立非均匀材料在高温下的热冲击阻力评价方法。本项目针对的都是以前没有涉及到的领域。由于非傅立叶热传导定理和传统的傅立叶热传导定理本质上的差别，本项研究预期将在功能梯度材料和多层压电介质的热/力/电耦合力学方面获得一些新的规律和现象。

本项目主要在如下几个方面取得了创新性研究成果.1.针对现代科学技术中的高温、高能、高速加热情况，建立了非经典热传导分析的有限元分析软件，获得了材料内部的热/力耦合场随时间变化的波动特征, 给出了有限元数值分析结果的收敛性和数值计算过程的稳定性准则和条件。.2. 针对现代科学技术中的高温、高能、高速加热情况，建立了非经典热传导分析的有限元分析软件，获得了材料内部的热/力耦合场随时间变化的波动特征；给出了均匀材料及层状材料界面热裂纹尖端场的时空相关性和波动行为；通过对热弹性介质中的非经典热传导断裂力学研究, 获得了基于非经典热传导定理的裂纹扩展规律，以此为基础，给出了材料的热冲击阻力评价方法。通过系统的研究，获得了传统的傅立叶热传导定理所无法揭示的一些新的规律和现象。.3. 按照计划，本项目还开展了非均匀材料的热/力/电耦合断裂力学。主要内容包括：(1) 构造了含半椭圆型表面缺陷陶瓷材料的热冲击阻力分析方法; (2) 获得了压电材料在内部热流和温度作用下的热、力、电场解; (3) 建立了热压电介质中的非导通裂纹的接触区模型。.4. 除了完成非经典热传导及相关的机电耦合力学研究之外, 利用本项目的资助, 我们还在微纳米尺度非均匀材料力学行为的连续介质模拟方面做了一些探索性研究。考虑到微纳米尺度下材料不但存在明显的非局部效应，而且具有复杂的表面应力问题, 我们首次将材料的非局部效应和表面效应统一考虑、引入到理论模型中，分析了纳米板的屈曲和振动、纳米线的机电耦合以及纳米板的几何非线性振动特性。同时, 为了研究表面效应对微纳米材料断裂行为的影响, 我们还分析了含有Ⅰ型裂纹的各向同性纳米材料在无穷远处受到应力载荷的问题, 获得了裂纹尖端场与裂纹长度的尺度相关性的结果。. 通过本项目培养毕业博士2名、硕士8名。毕业研究生中，黑龙省优秀毕业生1人、哈工大三好学生2人、哈工大优秀毕业研究生2人。另外，有一名在读博士研究生于2012年获得国家奖学金资助。. 结合本项目, 发表SCI论文27篇、EI论文5篇，项目负责人及参与项目的研究生参加本领域的学术会议16人次。