《急速熱衝擊作用下材料的熱-力耦合行為》是依託江蘇大學，由王穎澤擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：急速熱衝擊作用下材料的熱-力耦合行為
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王穎澤
- 依託單位：江蘇大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
瞬時高熱流密度作用下的超急速傳熱過程，對高新材料的研製與材料的改性將起到越來越重要的作用。然而，超急速傳熱過程中涉及到的超常傳熱以及伴隨的急速熱衝擊效應對材料結構性能的影響，將成為制約圍繞該過程進行現存材料性能潛力挖掘以及高性能材料研究開發的主要瓶頸。本課題以超急速傳熱過程中材料的熱-力耦合行為為研究對象，基於彈性體的廣義熱彈理論及用於描述超常傳熱過程的普適導熱定律，構建描述急速熱衝擊過程材料熱-力回響的廣義耦合熱彈性動力學模型，採用理論解析與數值模擬的分析手段，針對急速熱衝擊下材料的熱彈性回響以及超常傳熱條件下非傅立葉效應、動態熱衝擊效應和熱-力耦合效應對熱彈性回響的影響規律進行分析研究，揭示超常傳熱過程誘發材料結構和力學性能質變的本質原因。為基於超急速傳熱過程的機械加工、材料製備與改性等技術可靠、可控、可優的實現奠定理論與技術基礎。
結題摘要
瞬時高熱流密度作用下的超急速傳熱過程，對已有材料的改性及高新材料的研製將起到越來越重要的作用，超急速傳熱過程中涉及的超常傳熱行為及誘發的有別於常規傳熱的各種效應將對材料的傳熱行為和力學性能帶來顯著的影響。本課題以超急速傳熱過程中的熱-力耦合行為作為研究對象，採取理論分析手段針對瞬時高熱流密度熱衝擊下材料的傳熱行為及力學性能才開研究，取得了如下的成果： (1) 系統地總結了當前圍繞具有時間極短、尺度微觀特徵的超常傳熱問題所展開的研究工作。通過歸納得出，當前用於揭示超常傳熱行為的各類廣義熱彈性模型僅包含熱流矢對時間的慣性效應，對於尺度微觀的超常傳熱行為，無法給出準確地描述。 (2) 考慮熱流矢對時間及空間的慣性效應，依據熱質理論構建了用於揭示時間極短、尺度微觀特徵的超常傳熱過程的廣義熱彈性動力學模型，並證明了各向同性材料控制方程解的唯一性。通過對微型器件外表面受熱衝擊問題的求解分析指出，熱量的傳遞除了受到熱流加速的時間慣性外，熱流運動的空間效應對傳熱行為也將產生不同程度的影響。 (3) 鑒於當前廣義熱彈性理論模型求解存在的數學困難，針對熱衝擊的瞬時特性，提出了一種用於求解廣義熱彈性控制方程的漸進方法。該方法不僅可以準確地給出熱波、熱彈性波波前存在的階躍現象，同時也可以得到特徵參量與各物理場之間的函式關係，便於廣義熱彈性現象的定性分析。 (4) 計及材料物性與溫度的相關性，基於Clausius不等式及連續介質理論，通過對自由能公式的高階展開，構建了具有變物性特徵的廣義熱彈性動力學模型。該模型可以克服已有研究所採用模型的局限性(在原有常物性模型的基礎上引入物性參數與溫度之間的函式關係，忽略了物性參數變化時原有控制方程形式是否發生變化)。通過對半無限大體及軸對稱平面應變問題的求解分析指出，物性參數的變化對於熱波、熱彈性波的傳播及各物理場的分布均產生不同程度的影響，其中值得注意的一點是，相比於對位移場和應力場的顯著影響，溫度的相關性對於溫度場的影響效果並不明顯。 (5) 鑒於當前分數階理論在處理廣義熱彈性問題的套用前景，基於分數階熱傳導方程構建了用於描述常物性以及變物性特徵的廣義熱彈性動力學模型。通過對一維熱衝擊問題的求解分析，從分子導熱能力的層面更加深入的揭示了熱量以有限速度傳播對材料的力學性能的影響。
