薄膜材料的电话线型翘曲的数值研究——数学建模、数值模拟、以及力学参数的反演

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弹性薄膜-基底系统由于自身存在的压缩初始残余应力往往会出现翘曲。电话线型翘曲是最为常见的失效机制形式之一。本文回顾了电话线型翘曲的相关现象,理论和模型方面的研究。在此基础上,本文提出了电话线型翘曲的扇环模型。该模型将电话线型翘曲看成一系列全等的扇环单元拼接成的形态。用极坐标下的二维yon Kárman板方程描述薄膜的翘曲。边界条件为硬钳制边条件(径向)和倒易周期边条件(纬线方向)。采用Griffith断裂准则的离散形式决定电话线型翘曲的扇形单元的形状参数。该模型对应的数值问题为耦合的非线性4阶问题,并且存在分支,又有非规范的边条件,存在计算困难。为此,本文采用了拟动力学方法和连续性方法。在时间方向采用平均加速度的Newmark-β方法离散,在空间方向,采用了车比雪夫拟谱方法,并且特别提出了Multiple-Endpoints配置点。此配置点适用于高阶方程,文中给出此方法应用于线性问题的数值分析,表明该方法在处理高阶线性问题时具有一定优势。采用该模型进行数值模拟,并对结果进行分析,与实验得到了很好的符合。并且模拟出其它电话线型翘曲模型无法模拟出的双峰形态(实验中观察到的)。同时,数值结果刻画了常见的单峰形态和双峰形态之间解的跳跃。应用该模型并应用模式混合准则进行适当的修正,本文给出了利用电话线型翘曲的脱层区域的尺寸和形态,反演估算薄膜的初始残余应力,界面强度,以及断裂模式的方法。与实验的对比表明该方法具有很高的准确性。
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