半空间垂直界面裂纹及圆夹杂对SH波的散射

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 13次 | 上传用户:wzxgxl
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通常,在生产人工材料与结构时,将很难避免产生各种复杂的缺陷,例如孔洞、夹杂和裂纹。含有介质缺陷的材料在受到外力荷载作用时,由于材料的几何不连续性,将在缺陷附近产生动应力集中情况,进而决定材料的破坏程度。因此,为了满足理论与工程上的需要,研究缺陷附近的动应力集中分布情况是非常有意义的。由于SH波是弹性波散射理论中最简单的计算模型,因此具有相对比较成熟的理论。但是,仍然有许多其他边值问题的解析解答没有被解决。因此,基于线弹性理论,本文分别对双相介质半空间中含有单个圆形弹性夹杂、多个圆形弹性夹杂(孔洞)以及界面裂纹和圆形弹性夹杂组成的复合缺陷对SH波散射问题的解析解答进行了研究,同时给出介质缺陷附近的动应力集中情况以及半空间地表位移幅值的分布情况。本论文所涉及的主要工作可以概括为以下三个部分:   (1)第一部分主要研究了双相介质半空间垂直界面附近圆形弹性夹杂对SH波散射问题的解析解答,其主要应用了复变函数和Green函数方法。首先,构造适合此问题的Green函数,即:在一个含有圆形弹性夹杂的四分之一空间,在其垂直边界上作用一个任意的出平面线源荷载,此线源荷载在空间中产生的位移函数的解答。其可以被看成是由入射波和散射波的位移表达式组成的。前者可以采用“虚设点源”的方法构造,其满足四分之一空间水平边界应力自由条件,后者可以采用“镜像”的方法够造,其满足两个直角边界应力自由条件。然后,利用圆形弹性夹杂周边的位移和应力连续性边界条件,求解散射波表达式中未知系数。其次,采用“镜像”的方法分别构造SH波入射下满足边界条件的入射波、反射波、折射波以及散射波的位移表达式。然后,采用界面“契合”的思想将双相介质半空间沿着垂直界面划分为两部分,为了满足界面处的连续性条件,需要在剖分面两侧分别施加未知的出平面载荷,然后利用界面处位移和应力连续性条件建立可以确定未知外力系的第一类Fredholm积分方程组,考虑到散射波的衰减性质,采用离散方法求解未知力系。最后,通过具体算例给出圆形弹性夹杂周边动应力集中系数和半空间表面位移幅值的分布情况,分别讨论它们随无量纲参数变化的分布情况。   (2)第二部分主要研究了双相介质半空间垂直界面附近多个圆形弹性夹杂对SH波散射问题的解析解答,其主要应用了复变函数和多极坐标移动技术。首先,构造适合此问题的Green函数,即:在含有多个圆形弹性夹杂的四分之一空间,在其垂直边界上作用一个任意的出平面线源荷载,此线源荷载在空间中产生的位移函数解答。其次,采用界面“契合”的思想将双相介质半空间沿垂直界面处分开,在剖分面处施加外力荷载以满足界面处的连续性条件,同时利用Green函数表达式建立定解积分方程组。最后,通过具体的算例给出圆形弹性夹杂(孔洞)周边动应力集中情况,分别讨论它们随无量纲参数变化的分布情况。   (3)第三部分主要研究了双相介质半空间垂直界面裂纹及其附近圆形弹性夹杂对SH波散射问题的解析解答,其主要应用了复变函数和Green函数的方法。首先,构造适合此问题的Green函数,其与第一部分求解过程相同。其次,利用裂纹“切割”技术构造界面裂纹,即先将双相介质半空间沿垂直界面处剖开,在想要出现裂纹的地方施加与SH波作用下此处原有应力大小相等、方向相反的出平面应力。同时,需要在垂直界面其他位置施加外力荷载以满足界面处连续性条件,然后利用Green函数表达式建立定解积分方程组。最后,通过具体算例给出圆形弹性夹杂周边和Ⅲ型裂纹尖端动应力集中系数和动应力力强度因子,分别讨论它们随无量纲参数变化的分布情况。
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