基于VCCT研究界面连续性对超导—基底结构断裂行为的影响

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随着薄膜涂层技术及产品的飞速发展与应用,高温超导薄膜材料的力学性能已经得到广泛的关注。而这种超导-基体复合结构的强度和使用寿命一般取决于界面的特性,在电磁体力的作用下,其界面处的断裂失效机制直接影响了系统的最终综合性能。因此,研究界面的连续性对超导-基底结构的影响,对于制备高性能超导薄膜材料意义重大。本文基于虚拟裂纹闭合法(VCCT),在场冷却和零场冷却中,对具有不同连续性且含有界面裂纹的非均匀高温超导-基底结构的断裂行为做了详细的研究。本文主要工作有以下几个方面:1、针对功能梯度材料,我们基于VCCT求解了一些经典的断裂问题来验证方法的正确性。首先,我们计算了弹性模量的非均匀性对二维板边界裂纹、中心倾斜裂纹的应力强度因子的影响;其次,我们研究了弹性模量对双材料板的界面裂纹和板内裂纹的应力强度因子的影响;最后,我们分析了三维功能梯度板的面状裂纹问题,求解了应力强度因子在裂纹前沿的分布情况。数值结果表明:VCCT在求解二维裂纹和三维面状裂纹时,方法简单、高效,且计算结果精确;材料的非均匀性对裂纹应力强度因子的影响很大,非均匀系数越大,应力强度因子越大。2、基于Bean模型,建立非均匀高温超导-基底结构的磁-力耦合模型,根据弹性模量及其导数在界面处的连续性,我们引入了几种不同的连续性界面,并且结合VCCT研究了在场冷却和零场冷却中界面的连续性和材料的非均匀系数对界面裂纹的应力强度因子和裂纹张开位移(COD)的影响。研究结果表明:超导-基底结构连续性越好,界面裂纹的应力强度因子和COD就越小,抵抗开裂的能力就越强;超导-基底结构材料的非均匀系数越小,界面裂纹的应力强度因子越小,但COD越大。本文基于VCCT,研究了界面连续性对非均匀高温超导-基底结构断裂行为的影响,为研究非均匀高温超导体的界面裂纹问题提供了理论依据和方法,对高性能的超导-基底结构产品的制备具有一定的指导意义,同时为研究复合材料界面连续性问题提供了一个重要途径。
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