超薄涂层结构断裂行为和失效分析的快速边界元法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11872220
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0813.计算固体力学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Ultra-thin layered coatings can be used as barrier structures to improve the adhesion, diffusion, heat conduction and wear performances of many engineering devices and components. Having a clear understanding about the facture damage behavior of thin-layered coating systems is very useful and important. However, the rather complex and expensive experimental investigations on cracked ultra-thin films and coatings underlie a general lack of the analytical or numerical modeling efforts which can accurately and efficiently predict the performances of ultra-thin layered coating structures. The difficulties associated with such an analysis will be overcome in this project by using an advanced boundary element method (BEM). The scientific problems to be addressed include: (1) develop a new regularization technique for the accurate evaluation of nearly singular boundary element integrals, which are crucial in the applications of the BEM to thin shapes. Particular focus is on integrals with near strong-singularities and beyond; (2) establish new crack propagation simulation models for cracked thin-walled structures; (3) develop new fast multipole BEM formulations for modeling large-scale problems that can contain tens of thousands of cracks. Advanced boundary integral equations for thin-bodies, new preconditioners based on cracks, parallel computing and other techniques will be employed to tackle the challenges in the project. The research achievements of this project will serve as powerful analysis and modelling tools for fatigue invalidation analysis and structural optimization design of thin-layered coating systems.
表面涂层材料以优异的耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能,在现代机械加工和国防尖端技术领域得到了广泛的应用。现代工程中的涂层厚度一般在微米甚至纳米级,受涂层厚度和表面特征长度超大尺寸比的影响,涂层结构裂纹扩展和失效分析的精确数值模拟长期以来是一个挑战性的难点课题。本项目拟发展一种能有效分析超薄涂层结构断裂力学分析的三维快速边界元法计算模型,探索不同荷载形式、不同涂层厚度和不同材料组合等因素对涂层结构断裂力学行为和失效机理的影响。重点研究边界元法在模拟薄体结构问题时遇到的各类近奇异积分(特别是高阶近奇异积分)的通用正则化算法,建立适合于薄体结构边界元分析的裂纹扩展计算模型,探索适用于大规模裂纹扩展分析的快速多极边界元求解策略,充分发挥边界元法在薄体结构和动态裂纹扩展问题中的传统优势,为涂层结构的优化设计、失效分析和寿命预测等提供新的高效数值模拟手段。

结项摘要

表面涂层材料以优异的耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能,在现代机械加工和国防尖端技术领域得到了广泛的应用,其理论与应用也是固体力学领域中经典而又富有活力的研究领域之一。然而,涂层材料的相对厚度(狭长比)一般在微米甚至纳米级,受其厚度尺寸的影响,涂层材料中裂纹扩展的数值模拟一直是工程中的难点。尽管近几十年来超薄涂层材料的数值算法研究取得了快速的发展,有限元、有限差分等传统数值方法在模拟超薄涂层材料时仍面临复杂域网格剖分困难、计算量大和非对称稠密矩阵计算等挑战性难点问题。特别是涂层材料的狭长比小到纳米级时,传统方法的有效性受到了很大的限制。本项目发展了一种能有效分析超薄涂层结构断裂力学分析的快速边界元法计算模型,研究了不同荷载形式、不同涂层厚度和不同材料组合等因素对涂层结构断裂力学行为和失效机理的影响。主要研究成果包括:(1)针对边界元法在模拟薄体结构问题时遇到的各类近奇异积分(特别是高阶近奇异积分)的计算难题,发展了适用于超薄涂层结构断裂力学分析的近奇异积分新型正则化算法;(2)建立了一种能精确表征复合材料界面裂纹振荡特性的“特殊裂尖单元法”及其相应的奇异积分处理技术,通过裂尖单元的张开位移或界面应力实现复应力强度因子和能量释放率的直接求解;(3)探索适用于大规模裂纹扩展分析的快速多极边界元求解策略,充分发挥边界元法在薄体结构和动态裂纹扩展问题中的传统优势。本项目的研究成果为涂层结构的优化设计、失效分析和寿命预测等提供新的高效数值模拟手段。

项目成果

期刊论文数量(19)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(3)
Localized method of fundamental solutions for large-scale modelling of three-dimensional anisotropic heat conduction problems – Theory and MATLAB code
三维各向异性热传导问题大规模建模基本解的局部化方法 - 理论与 MATLAB 代码
  • DOI:
    10.1016/j.compstruc.2019.04.010
  • 发表时间:
    2019-08
  • 期刊:
    Computers & Structures
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Yan Gu;Chia-Ming Fan;WenZhen Qu;Fajie Wang
  • 通讯作者:
    Fajie Wang
Novel special crack-tip elements for interface crack analysis by an efficient boundary element method
通过高效边界元法进行界面裂纹分析的新型特殊裂纹尖端单元
  • DOI:
    10.1016/j.engfracmech.2020.107302
  • 发表时间:
    2020-11
  • 期刊:
    Engineering Fracture Mechanics
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Yan Gu;Chuanzeng Zhang
  • 通讯作者:
    Chuanzeng Zhang
Fracture analysis of ultra-thin coating/substrate structures with interface cracks
具有界面裂纹的超薄涂层/基体结构断裂分析
  • DOI:
    10.1016/j.ijsolstr.2021.111074
  • 发表时间:
    2021-05
  • 期刊:
    International Journal of Solids and Structures
  • 影响因子:
    3.6
  • 作者:
    Yan Gu;Chuanzeng Zhang
  • 通讯作者:
    Chuanzeng Zhang
Analysis of in-plane crack problems using the localized method of fundamental solutions
使用局部基本解法分析面内裂纹问题
  • DOI:
    10.1016/j.engfracmech.2021.107994
  • 发表时间:
    2021-09-16
  • 期刊:
    ENGINEERING FRACTURE MECHANICS
  • 影响因子:
    5.4
  • 作者:
    Gu, Yan;Golub, Mikhail, V;Fan, Chia-Ming
  • 通讯作者:
    Fan, Chia-Ming
A domain-decomposition generalized finite difference method for stress analysis in three-dimensional composite materials
三维复合材料应力分析的域分解广义有限差分法
  • DOI:
    10.1016/j.aml.2020.106226
  • 发表时间:
    2020-06
  • 期刊:
    Applied Mathematics Letters
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Yuanyuan Wang;Yan Gu;Jianlin Liu
  • 通讯作者:
    Jianlin Liu

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其他文献

A meshless singular boundary method for three-dimensional inverse heat conduction problems in general anisotropic media
一般各向异性介质三维热传导反问题的无网格奇异边界方法
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    何小桥
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    10.1016/j.camwa.2017.08.030
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • 作者:
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冬季积雪与冻融对土壤团聚体稳定性的影响
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  • 期刊:
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  • 通讯作者:
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  • 发表时间:
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  • 作者:
    张琳;谷岩
  • 通讯作者:
    谷岩

其他文献

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谷岩的其他基金

表面涂层材料界面裂纹弹性波散射及材料动力学响应的边界元法研究
  • 批准号:
    12372199
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    面上项目
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  • 批准号:
    12111530006
  • 批准年份:
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  • 资助金额:
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  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
含冲击损伤层状复合材料动态性能的高效数值和半解析方法模拟与分析研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
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  • 批准号:
    11402075
  • 批准年份:
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  • 资助金额:
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  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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