纳米薄膜在冲击载荷下屈曲的数值分析研究

论文摘要

固态的薄膜/基底结构已广泛应用于各种工程系统，用以实现设备的多种功能。由于越来越多的实践中都会接触到薄膜/基底结构，因此大量的学者对于薄膜/基底结构的脱粘与屈曲问题也越来越感兴趣，薄膜/基底结构在静态作用力下的屈曲问题已经有了比较成熟的理论体系，动态屈曲问题的理论研究则相对较少，因此本文的主要工作是研究在轴向冲击力下，薄膜/基底结构的屈曲局部分布的初步理论解释。考虑到薄膜/基底在尺寸上的巨大差异，将薄膜/基底结构受到落锤冲击的模型，简化为落锤冲击基底的模型，利用牛顿第二定律计算了基底顶端的位移随时间的变化；同时利用有限元软件模拟了上面的冲击过程，将实验得到的数据和理论计算以及有限元模拟三者进行比较。结果发现三者在最大位移和冲击持续时间上都比较接近。接下来利用Tiersten模型，将薄膜看成是基底表面上的一个阻抗，原来的自由边界条件变成非自由的，计算了在界面上传播的Rayleigh类型波波速c。研究一端受到位移激励，另一端趋向于无穷远处的薄膜/基底结构的位移和应力响应。由于是数值解法无法得到精确的表达式，通过数值计算得到相应的界面处的u-t和σ x-t的曲线。由于数值计算的误差，基底的位移最大值为0.272mm小于施加的激励最大值0.3mm，误差为9.3%。由于双层材料在界面端的应力奇异性问题是不可回避的，因此需要研究薄膜/基底结构这种特殊的双层材料界面端的应力分布和奇异性。计算结果发现界面端应力在r→0处趋向于无穷大，即界面端应力存在奇异性，奇异区的范围为r≤0.0005hf，其中h f为薄膜的厚度，可见奇异区的范围非常的小，因此应力奇异性对屈曲的贡献范围很小可以忽略。最后研究了薄膜/基底界面瑞利类型波的传播情况，由于冲击过程中，冲击的持续时间远大于应力波单程传播的时间，因此应力波的反射不得不考虑。应力波在冲击端和固定端之间来回的反射，导致应力不断地变化，研究应力最大值以及此刻的应力分布对研究局部屈曲现象有着积极的意义。计算中发现屈曲最先发生的位置是试件的固定端。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米薄膜的研究背景和意义
• 1.2 纳米薄膜屈曲的国内外研究进展
• 1.2.1 纳米薄膜屈曲的分类
• 1.2.2 纳米薄膜在静态屈曲方面的研究现状
• 1.2.3 纳米薄膜在动态屈曲方面的研究现状
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 单层和双层结构在不同激励下的动力响应
• 2.1 拉普拉斯与傅里叶变换的内容
• 2.2 半无限长单层板在端面法向速度脉冲下的动力响应
• 2.3 薄膜/基底系统在线激励脉冲载荷下的动力响应
• 2.4 本章小结
• 第三章 薄膜/基底试件冲击端的位移参数的数值分析
• 3.1 冲击过程中薄膜/基底试件冲击端位移的理论研究
• 3.2 冲击过程中钛薄膜/有机玻璃基底试件冲击端位移
• 3.3 冲击过程中有机玻璃基底试件的冲击端位移的数值模拟
• 3.4 本章小结
• 第四章 冲击载荷下薄膜/基底结构的动力响应
• 4.1 Tiersten 模型
• 4.2 薄膜/基底结构的模型
• 4.3 薄膜/基底结构的冲击端界面的应力响应
• 4.4 钛薄膜/有机玻璃基底结构的轴向冲击响应曲线图
• 4.5 本章小结
• 第五章 薄膜/基底界面端的应力分布及奇异性分析
• 5.1 半无限长双层板界面端应力奇异性分析
• 5.2 钛薄膜/有机玻璃基底结构的界面端的应力分布
• 5.3 本章小结
• 第六章 薄膜/基底结构界面瑞利类型波的传播
• 6.1 假设及一些重要参数
• 6.2 应力波传播过程中的应力分布
• 6.3 钛薄膜/有机玻璃基底结构在应力波传播过程中的应力分布
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢