馬園園,趙雪芬,丁生虎
(1.寧夏大學(xué) 數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)院,銀川 750021;2.寧夏大學(xué) 新華學(xué)院,銀川 750021)
隨著耐高溫復(fù)合材料在工程實(shí)際中的應(yīng)用日益廣泛,復(fù)合材料熱應(yīng)力問(wèn)題的研究引起了許多力學(xué)工作者的關(guān)注。Kattis等[1]采用二相復(fù)勢(shì)的方法研究了曲線邊界夾雜的平面熱彈性問(wèn)題,得到了橢圓夾雜在無(wú)窮遠(yuǎn)處均勻熱流作用下的熱彈性場(chǎng)。文獻(xiàn)[2]采用拉普拉斯變換和有限差分方法,研究了無(wú)牽引邊界條件下多層圓柱的熱彈性問(wèn)題,得到了瞬態(tài)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的解。文獻(xiàn)[3]采用疊加法求出軸對(duì)稱平面應(yīng)變狀態(tài)下正交各向異性空心圓柱的熱彈性解。Wang等[4]利用解析延拓方法研究了兩個(gè)不完全黏結(jié)的半平面內(nèi)嵌任意形狀熱夾雜問(wèn)題。
準(zhǔn)晶作為一種新材料,具有硬度高、摩擦因數(shù)低、耐高溫和耐磨等優(yōu)良性能[5-6]。Li等[7]采用格林函數(shù)法研究了一維六方準(zhǔn)晶的熱彈性解。文獻(xiàn)[8]研究了十次準(zhǔn)晶復(fù)合材料橢圓夾雜的熱應(yīng)力問(wèn)題。Guo等[9]利用Stroh型形式解,導(dǎo)出了均勻熱流作用下含導(dǎo)電橢圓孔十次準(zhǔn)晶的彈性解。文獻(xiàn)[10]采用擴(kuò)展位移不連續(xù)法分析了一維六方周期平面裂紋的熱應(yīng)力及裂紋尖端場(chǎng)的奇異性。雖然彈性材料中各種類型的熱應(yīng)力分析[11-13]以及含缺陷準(zhǔn)晶體的力學(xué)分析[14-17]已得到較充分的研究,但準(zhǔn)晶夾雜中含缺陷的熱應(yīng)力問(wèn)題還未得到充分的討論。
本文研究了十二次二維準(zhǔn)晶在點(diǎn)熱源作用下的共弧圓形界面裂紋的平面問(wèn)題,分析了夾雜內(nèi)外溫度場(chǎng),聲子場(chǎng)及相位子場(chǎng)的熱應(yīng)力。由此導(dǎo)出了含有兩條裂紋時(shí),分區(qū)復(fù)勢(shì)函數(shù)和應(yīng)力場(chǎng)的封閉解。
如圖1所示,無(wú)限大十二次二維準(zhǔn)晶基體S-中包含一個(gè)半徑為R的圓形準(zhǔn)晶夾雜S+。在無(wú)限大準(zhǔn)晶基體S-內(nèi)任意一點(diǎn)z0作用著一點(diǎn)熱源,其強(qiáng)度為q0。同時(shí),在準(zhǔn)晶基體與準(zhǔn)晶夾雜界面上有n條互不相交的裂紋L′1,L′2,…,L′n,裂紋的尖端分別用aj和bj表示,記L′=L′1+L′2+…+L′n。 除裂紋L′外的剩余部分記為L(zhǎng),不失一般性,假設(shè)在L′上無(wú)面力作用。當(dāng)準(zhǔn)晶基體與準(zhǔn)晶夾雜黏結(jié)完好時(shí),在L上滿足位移和應(yīng)力連續(xù)的界面條件。
圖1 點(diǎn)熱源作用在圓弧界面裂紋附近Fig.1 The point heat source acts near the circular arc interface cracks
設(shè)準(zhǔn)晶圓形夾雜的中心在復(fù)平面z=x1+i x2的坐標(biāo)原點(diǎn),則夾雜與準(zhǔn)晶基體界面上的點(diǎn)可表示為t=Reiθ。此時(shí),界面上位移和應(yīng)力的邊界條件可表示為
式中:σr,σrθ為極坐標(biāo)中準(zhǔn)晶夾雜和準(zhǔn)晶基體聲子場(chǎng)的應(yīng)力分量;Hr,Hrθ為極坐標(biāo)中準(zhǔn)晶相位子場(chǎng)的應(yīng)力分量;u1和u2為直角坐標(biāo)系下準(zhǔn)晶夾雜和準(zhǔn)晶基體聲子場(chǎng)的位移分量;w1和w2為直角坐標(biāo)系下準(zhǔn)晶基體與夾雜相位子場(chǎng)的位移分量;最后一個(gè)下標(biāo)1和2分別為區(qū)域S+和S-;上標(biāo)“+”和“-”為當(dāng)z分別從S+和S-趨向于界面時(shí)函數(shù)所取的邊界值。
由文獻(xiàn)[18]知,夾雜和基體的聲子場(chǎng)和相位子場(chǎng)可用四個(gè)復(fù)勢(shì)應(yīng)力函數(shù) Ω(z),Θ(z),Λ(z) 和 Γ(z) 再加兩個(gè)溫度復(fù)函數(shù)g′1(z),g′2(z) 來(lái)確定,即
由二維熱傳導(dǎo)理論知,熱流Q,熱流強(qiáng)度q和溫度T可以由單個(gè)復(fù)溫度函數(shù)表示為
式中:κt為熱傳導(dǎo)系數(shù);qx,qy和qρ,qφ分別為熱流強(qiáng)度的直角坐標(biāo)分量和極坐標(biāo)方向的分量;Re和Im分別為對(duì)復(fù)數(shù)函數(shù)取實(shí)部和虛部。
準(zhǔn)晶基體中的復(fù)溫度函數(shù)可以表示為
令
則成立
由推廣的Schwarz鏡像延拓方法[19],可得
于是準(zhǔn)晶基體S-中的溫度函數(shù)F′2(z)經(jīng)邊界可延拓到S+內(nèi),表達(dá)式為
考慮式(14) 和式(17),函數(shù)F′2(z) 在沿邊界割開(kāi)的除z0,z*,∞和0點(diǎn)外的全平面全純,則F′2(z)可改寫為
式中:Q0G(z) 為奇性主部;F′20(z) 為全平面內(nèi)的全純部分。其中
由于S+內(nèi)無(wú)熱載荷作用,則F′1(z)全純,可用級(jí)數(shù)形式表示為
用上述方法將F′1(z) 延拓到S-內(nèi),有
在該問(wèn)題中,考慮到界面裂紋是非滲透的,則在邊界上熱流強(qiáng)度和溫度連續(xù)邊界條件可表示為
式中,qρ為徑向極坐標(biāo)下的熱流強(qiáng)度。
由式(11)、式(13)、式(21) 和式(22) 可得
即
由推廣的Liouville定理可得
由式(10) 和式(21) 可得
對(duì)式(26)兩邊關(guān)于φ求導(dǎo),有
因?yàn)樵谶吔鏛上有
從而成立
把式(28) 代入式(27),得到
再把式(25)代入式(29)的右邊,得到
其中,
由文獻(xiàn)[20]可知,邊值問(wèn)題式(30)的解為
其中,
這里X0(z)是沿L割開(kāi)的平面上的任一單值分支,且有
Pn(z)是與X0(z)在無(wú)窮遠(yuǎn)處性質(zhì)有關(guān)的任一多項(xiàng)式,其一般形式如下
計(jì)算式(31)的積分,得到
式中,G0(z),G∞(z),Gz0(z),Gz*(z) 為被積函數(shù)在z=0,∞,z0,z*點(diǎn)處的奇性主部。
對(duì)于式 (33),還需要確定n個(gè)常數(shù)c1,c2,…,cn。為確定這些常數(shù),先把式(33)代入式(25),得到
把式(34)在無(wú)窮遠(yuǎn)域展開(kāi)后與式(14)和式(15)比較前的系數(shù),可得到有關(guān)方程,進(jìn)而求得前的系數(shù)。
為了確保L上溫度的連續(xù)性,還需要補(bǔ)充n個(gè)端點(diǎn)溫度相等條件。先假定端點(diǎn)a1處溫度確定,則可得到n-1個(gè)方程
由式(25),可得
則式(35)是n-1個(gè)方程,可確定n-1個(gè)未知數(shù),至此F′1(z) 和F′2(z) 可完全確定,這樣表示整個(gè)溫度場(chǎng)也完全確定。
準(zhǔn)晶夾雜和基體中的復(fù)勢(shì)函數(shù),設(shè)為
式中:Aj為實(shí)常數(shù);Ωj0(z),Θj0(z) 為對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的全純函數(shù),且在無(wú)窮遠(yuǎn)鄰域內(nèi)趨于0。
由聲子場(chǎng)位移單值性可得
把式(36) 和式(37) 代入,由于ln(z-z0) 和互為共軛,模相同而輻角相反,從而得
式中,κt2為準(zhǔn)晶基體中的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
運(yùn)用推廣的Schwarz鏡像延拓方法,在區(qū)域S+內(nèi)定義延拓函數(shù)
這樣,Ω2(z) 可經(jīng)過(guò)圓弧L′解析到S+內(nèi),把式(36)、式(37) 代入式(39),得到
對(duì)式(40)進(jìn)行主部分析,得到Ω2(z)在全平面的表達(dá)式為
同理,在S-內(nèi)引入函數(shù)
這樣,Ω1(z) 可經(jīng)過(guò)圓弧L′解析到S-內(nèi)。
考慮邊界條件式(1)、式(2),把式(39) 和式(43)代入,即得
即
由廣義Liouville定理,可得
式中,D0為常數(shù)。
由邊界條件式(1)、式(8) 和式(43) 可得
把式(41)和式(46)代入,整理得
式中,g,h,K,W,I(t) 見(jiàn)附錄A中式(A.1)。
這是一個(gè)R-H邊值問(wèn)題,它的解為
其中,
且X1(z)是沿L割開(kāi)平面上的一單值分支,滿足
P*n(z)為不超過(guò)n次冪的多項(xiàng)式
計(jì)算式(48)的積分后,再代入式(41)和式(46)后,即可得到 Ω1(z) 和 Ω2(z)。由式(39) 和式(43),可知
這樣,準(zhǔn)晶夾雜和準(zhǔn)晶基體聲子場(chǎng)的復(fù)勢(shì)函數(shù)形式解已經(jīng)求出。下面來(lái)確定c0,c1,c2,…,cn和D0這n+2個(gè)常數(shù)。由于無(wú)窮遠(yuǎn)處應(yīng)力為0,得Ω2(∞)=0,則由式(41)和式(49)可得c0=0。
由于在無(wú)窮遠(yuǎn)鄰域內(nèi)
與式(41)在無(wú)窮遠(yuǎn)鄰域內(nèi)的洛朗級(jí)數(shù)展開(kāi)式比較可得一個(gè)方程。
又考慮到 Ω1(∞)=D0,再代入式(43),即得
為了保證位移連續(xù)條件還需補(bǔ)充在n個(gè)端點(diǎn)位移相等的條件??紤]相對(duì)剛體位移,可假設(shè)其中b1重合,則有n-1個(gè)獨(dú)立條件,由此可得
把式(41)、式(46) 代入整理得
式中,h1,h2,h3見(jiàn)附錄A中式(A.2)。 至此,Ω1(z) 和Ω2(z)求得,聲子場(chǎng)熱應(yīng)力可完全確定。
由于十二次二維準(zhǔn)晶聲子場(chǎng)和相位子場(chǎng)的不耦合性,相位子場(chǎng)在點(diǎn)熱源q0作用下的熱應(yīng)力分析需進(jìn)行計(jì)算。
設(shè)相位子場(chǎng)的復(fù)勢(shì)函數(shù)為
式中:ξj為實(shí)常數(shù);Γj0(z),Λj0(z) 為S-中的全純函數(shù),且在無(wú)窮遠(yuǎn)鄰域趨于0。
由相位子場(chǎng)位移的單值性可知
把式(54) 和式(55) 代入,即得
運(yùn)用推廣的Schwarz鏡像延拓方法,在S+內(nèi)定義Γ2(z) 的延拓函數(shù)
這樣,Γ2(z) 可經(jīng)過(guò)圓弧L′解析到S+內(nèi)。
把式(54) 和式(55) 代入式(56),即得
對(duì)式(57)進(jìn)行主部分析,可得到
同樣在S-內(nèi)引入一函數(shù)
考慮邊界條件式(2),并把式(56)和式(60)代入,在整個(gè)圓周L+L′上成立
由廣義Liouville定理可得
式中,D1為常數(shù)。
利用邊界條件式(1),由式(58) 和式(62) 可得
式中,g1,h4,W1,K*見(jiàn)附錄A中式(A.3)。
式(63) 的解為
其中,
X2(z)是沿L割開(kāi)平面上的任一單值分支,滿足
計(jì)算式(64) 的積分后,代入式(58) 和式(62),得Γ1(z),Γ2(z)。將 Γj(z) 的表達(dá)式代入式(56) 和式(60),即可求得
其中,
進(jìn)而相位子場(chǎng)復(fù)勢(shì)函數(shù)的表達(dá)式已求出。下面仍需確定c0,c1,c2,…,cn和D1,這n+2個(gè)常數(shù)。由無(wú)窮遠(yuǎn)處應(yīng)力為0,得 Γ2(∞) =0,則由式(58) 和式(63) 可得:c0=0。
由于在無(wú)窮遠(yuǎn)鄰域內(nèi)
與式(58)在無(wú)窮遠(yuǎn)鄰域的展開(kāi)式比較系數(shù),可得一方程,進(jìn)而求得前的系數(shù)。
又考慮到 Γ1(∞)=D0,代入式(60) 得
由位移的連續(xù)性條件,考慮相對(duì)剛體位移,假設(shè)其中b1重合,則有n-1個(gè)獨(dú)立條件,由此可得
把式(69)和式(73)代入上式,可得到n-1個(gè)方程,即
至此,全部常數(shù)已確定,從而相位子場(chǎng)的復(fù)勢(shì)函數(shù)已求出。
如圖2所示,考慮在準(zhǔn)晶基體內(nèi)任意一點(diǎn)z0作用強(qiáng)度為q0的點(diǎn)熱源,在圓形夾雜界面上只含有一條裂紋b, 不失一般性,假設(shè)圓弧裂紋關(guān)于x軸對(duì)稱,在圓形界面=R上有端點(diǎn)a=R e-iα,b=R eiα。
圖2 含一條關(guān)于x軸對(duì)稱的界面裂紋Fig.2 The case of an interface crack with respect to the x-axis symmetry
此時(shí)c0=0,n=1,由式(33) 可得
其中,
與式(20)比較系數(shù)得c1=0,因此
對(duì)式(71) 和式(72) 積分可得F1(z),F(xiàn)2(z),解析表達(dá)式見(jiàn)附錄B中式(B.1)。
將上述解答退化到無(wú)裂紋圓形夾雜,即α=0,a=b=R,由式(69) 和式(70) 得
本文的結(jié)果與Chao等的研究結(jié)果一致,驗(yàn)證了本文結(jié)果的有效性。
5.1.2 聲子場(chǎng)熱應(yīng)力
當(dāng)n=1,c1=0時(shí),D0=0,c1=A2。由此可得
式中,G′0(z),G′z0(z),G′z*(z),G′∞(z) 分別為被積函數(shù)在z=0,z0,z*,∞點(diǎn)處的奇性主部,具體表示見(jiàn)附錄B中式(B.2)。這樣聲子場(chǎng)復(fù)勢(shì)函數(shù)中的待定常數(shù)都已求出,聲子場(chǎng)熱應(yīng)力也可確定。
5.1.3 相位子場(chǎng)熱應(yīng)力分析
當(dāng)n=1,c0=0時(shí),D1=0,c1=δ2。此時(shí)
如圖3所示,考慮在準(zhǔn)晶基體內(nèi)任意一點(diǎn)z0作用著強(qiáng)度為q0的點(diǎn)熱源,在圓形夾雜界面上含有兩條裂紋不失一般性,假設(shè)兩條圓弧裂紋分別關(guān)于x軸對(duì)稱,在圓形界面=R上有端點(diǎn)a=R e-iα,b=R eiα,a′=R ei(π-α),b′=R ei(π+α)。
圖3 含兩條界面裂紋Fig.3 The case of two interface crack
5.2.1 溫度場(chǎng)
此時(shí)c0=0,n=2,由式(33) 得
與式(20)比較系數(shù)得c1=0,由式(35)得確定常數(shù)c2的方程
由留數(shù)定理得c2=N1。
式(75)可改寫為
把式(76) 代入式(34),得
對(duì)式(71) 和式(72) 積分可得F1(z),F(xiàn)2(z),解析表達(dá)式見(jiàn)附錄C中式(C.1)。
將上述解答退化到無(wú)裂紋圓形夾雜,即α=0,a=b=R,按照這個(gè)過(guò)程,通過(guò)比較本文解與文獻(xiàn)[21]解得一致性,驗(yàn)證了本文結(jié)果的有效性。
5.2.2 聲子場(chǎng)熱應(yīng)力
當(dāng)n=2,c1=0時(shí),D0=0,考慮式(50),比較Ω2(z) 在無(wú)窮遠(yuǎn)展開(kāi)的的系數(shù),即得c1=A2,由式(53)得確定常數(shù)c2的方程
式中,G′0(z),G′z0(z),G′z*(z),G′∞(z) 分別為被積函數(shù)在z=0,z0,z*,∞點(diǎn)處的奇性主部,具體表示見(jiàn)附錄C中式(C.2)。
5.2.3 相位子場(chǎng)熱應(yīng)力分析
當(dāng)n=2,c0=0時(shí),D1=0,此時(shí)
至此,相位子場(chǎng)的復(fù)勢(shì)函數(shù)已確定。
由于對(duì)稱性,我們只考慮一條裂紋中一個(gè)裂紋尖端的熱應(yīng)力強(qiáng)度因子。為了計(jì)算圓弧裂紋端b點(diǎn)的熱應(yīng)力強(qiáng)度因子,首先做如下坐標(biāo)變化
這樣在Z平面X軸與裂紋相切與端點(diǎn) (Z平面),且
在b1點(diǎn)領(lǐng)域的奇性主項(xiàng)可寫為
從式(85)和式(86)中可以看出,裂紋尖端的聲子場(chǎng)和相位子場(chǎng)熱應(yīng)力強(qiáng)度因子與夾雜的半徑以及熱源的強(qiáng)度有關(guān)。
本文利用復(fù)變函數(shù)方法研究了十二次二維準(zhǔn)晶圓形弧段界面多裂紋的熱應(yīng)力問(wèn)題,分別給出了熱應(yīng)力和裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的解析解。利用此結(jié)果,求得一條裂紋,兩條裂紋時(shí)熱應(yīng)力和裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子的解析解。通過(guò)與現(xiàn)有結(jié)果的比對(duì),可以驗(yàn)證本文所得結(jié)論的正確性,同時(shí)也可以說(shuō)明本文所研究的問(wèn)題具有的普遍性。
取準(zhǔn)晶夾雜、基體的材料參數(shù)如表1所示。
表1 十二次二維準(zhǔn)晶材料參數(shù)Tab.1 Material parameter of dedecagonal two-dimensional quasicrystals
對(duì)應(yīng)力和應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行無(wú)量綱處理
圖4和圖5給出了含一條裂紋時(shí),不同強(qiáng)度點(diǎn)熱源作用下,無(wú)量綱場(chǎng)熱應(yīng)力隨極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換角度θ的變化關(guān)系。結(jié)果表明,隨著熱源強(qiáng)度的增大,熱應(yīng)力增大,并且在θ=45°和θ=315°附近熱應(yīng)力集中。圖6和圖7給出了含兩條裂紋時(shí),不同強(qiáng)度點(diǎn)熱源作用下,無(wú)量綱場(chǎng)熱應(yīng)力隨極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換角度θ的變化關(guān)系。結(jié)果表明,隨著熱源強(qiáng)度的增大,熱應(yīng)力增大,兩者呈線性關(guān)系。并且在θ=30°,θ=150°,θ=210°和θ=330°附近熱應(yīng)力集中。
圖4 不同q0時(shí)邊界上的徑向應(yīng)力σr0,α=45°Fig.4 The nondimensional radial stressσr0 for different q0,α=45°
圖5 不同q0時(shí)邊界上的切向應(yīng)力 σrθ0,α=45°Fig.5 The nondimensional shear stressσrθ0 for different q0,α=45°
圖6 不同q0時(shí)邊界上的徑向應(yīng)力σr0,α=30°Fig.6 The nondimensional radial stressσr0 for different q0,α=30°
圖7 不同q0時(shí)邊界上的切向應(yīng)力 σrθ0,α=30°Fig.7 The nondimensional shear stressσrθ0 for different q0,α=30°
根據(jù)式(82)的定義,引入應(yīng)力強(qiáng)度因子來(lái)分析裂紋尖端熱應(yīng)力的變化。圖8和圖9顯示了不同夾雜半徑下,無(wú)量綱熱應(yīng)力強(qiáng)度因子K10及K20隨裂紋角度α的變化關(guān)系。從圖8可以看出,無(wú)量綱熱應(yīng)力強(qiáng)度因子K10隨著裂紋角度α的增大而變大,從圖9可以看出,無(wú)量綱熱應(yīng)力強(qiáng)度因子K20隨著裂紋角度α的增大先減小,在α=45°附近達(dá)到最小值,然后隨之增大。因此在實(shí)際工程中可以適當(dāng)調(diào)整夾雜半徑來(lái)降低裂紋尖端的集中。
圖8 不同R時(shí)K10隨裂紋角度α的變化Fig.8 Change of the nondimensional K10 with crack angle for different R
圖9 不同R時(shí)K20隨裂紋角度α的變化Fig.9 Change of the nondimensional K20 with crack angle for different R
圖10和圖11顯示了點(diǎn)熱源強(qiáng)度不同時(shí),無(wú)量綱熱應(yīng)力強(qiáng)度因子K10及K20隨裂紋角度α的變化關(guān)系。可以觀察到熱源強(qiáng)度不會(huì)影響熱應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化趨勢(shì),但會(huì)影響到熱應(yīng)力強(qiáng)度的大小,并且熱源強(qiáng)度越大熱應(yīng)力強(qiáng)度因子越大。從圖10可以看出,無(wú)量綱熱應(yīng)力強(qiáng)度因子K10隨著裂紋角度α的增大而變大,從圖11可以看出,無(wú)量綱熱應(yīng)力強(qiáng)度因子K20隨著裂紋角度α的增大先減小,在α=40°附近達(dá)到最小值,然后隨之增大。
圖10 不同q0時(shí)K10隨裂紋角度α的變化Fig.10 Change of the nondimensional K10 with crack angle for different q0
圖11 不同q0時(shí)K20隨裂紋角度α的變化Fig.11 Change of the nondimensional K20 with crack angle for different q0
利用Muskhelishvilv復(fù)變函數(shù)方法,通過(guò)復(fù)應(yīng)力函數(shù)奇性主部分析和Riemann-Schwarz解析延拓原理法,獲得了在集中熱源作用下,不同材料界面裂紋熱彈性問(wèn)題的溫度場(chǎng)和彈性場(chǎng)的一般解答,分別求出了含一條和兩條界面裂紋時(shí)熱應(yīng)力的解析表達(dá)式,并以圖表的形式討論了不同準(zhǔn)晶復(fù)合材料隨裂紋幾何條件變化對(duì)裂紋尖端熱應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律。結(jié)果顯示在點(diǎn)熱源作用下含界面裂紋圓形夾雜的裂紋尖端具有應(yīng)力振蕩奇異性。本文的結(jié)果可作為若干實(shí)際問(wèn)題的力學(xué)模型,為準(zhǔn)晶材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及界面破壞機(jī)理提供了科學(xué)依據(jù)。
附錄A
附錄B
附錄C