[00319194]功能梯度材料与结构复杂断裂问题分析的新型数值方法

一、成果简介

功能梯度材料（FGM）是一种新型多功能复合材料，其宏观特性在空间位置上呈现连续梯度变化，可满足结构元件不同部位对材料使用性能的不同要求。在高温环境下，FGM的使用在有效降低热应力和残余应力的同时还可兼顾刚度、耐腐蚀性等需求，已被应广泛应用于航空航天、核工业和生物医学等领域。但受工艺条件和工作环境等的影响，FGM中不可避免地存在裂纹，裂纹的萌生、扩展和贯通将进一步导致材料和结构的强度、刚度、耐久性等功能退化甚至完全失效。以有限单元法为代表的传统数值方法模拟单一裂纹及其演化已很繁杂，对多裂纹、分支和交叉裂纹等更为复杂的裂纹问题（以下统称为复杂裂纹）的求解能力则更低甚至无法求解。本项目发展了一种用于高效高精度分析单一力、热以及热-力耦合作用下FGM复杂断裂问题的新型数值方法—数值流形方法。与有限元法相比，该方法主要特点如下：

1、网格划分更便捷：可使用完全均匀的网格对求物理模型进行离散；

2、裂纹模拟更轻松：计算网格不需与裂纹面一致，可分析复杂裂纹及其扩展问题；

3、裂纹表征更准确：可自然表征因裂纹存在导致的位移场和温度场等的局部不连续特性。

基于该方法，本项目重点解决了以下几个问题：

1、均质材料（FGM的特例）等温断裂参数的提取及裂纹扩展问题；

2、均质材料稳态热断裂参数的提取问题；

3、均质材料热冲击热断裂参数的提取问题；

4、FGM等温断裂参数的提取问题；

5、FGM稳态热断裂参数的提取问题；

6、FGM热冲击断裂参数的提取问题。

项目研究发表论文40余篇（其中SCI检索20篇），SCI论文被引次数超过500次，培养硕士研究生8名，研究成果获国际学术组织颁发的“Outstanding Researcher Award”（杰出研究人员奖）。

二、主要技术指标：

三、应用情况概述

该项目研究发表SCI论文20篇，其中2篇的引用次数位列同主题论文的第1和第5位（见图1），这两篇论文也从很大程度上推动了数值流形方法的发展。为此，2017年12月笔者获得ICADD13（第13届国际不连续变形分析会议。ICADD会议系列会议每两年举办一次，至今已举办14届）组委会首次设立并颁发的“Outstanding Researcher Award”（杰出研究人员奖）（见图2）。