题目：陶瓷材料热震开裂行为的实验研究和数值预报

    陶瓷材料具有优异的高温机械性能、耐化学腐蚀、耐磨损、抗高温氧化等显著特点，已经广泛应用于各工业部门，特别是极端环境下的耐热构件，如发动机内壁、航天器的热防护系统等。但是陶瓷材料本身固有的脆性使其易于发生机械损伤和热震失效，甚至灾难性的断裂。陶瓷材料是应用技术的发展大大超前于失效机制的理论研究的例子。目前在工程中，技术陶瓷的设计一般还停留在试验和经验公式的水平，要想充分发挥陶瓷材料的潜力，设计性能更高，寿命更长的陶瓷材料，必须从基础理论研究出发，科学阐明其失效机制。热震失效机制对于陶瓷的极端高温环境下的应用尤为重要，本文致力于对它的实验和数值研究。

    通过对热震过程中的温度场、应力场和断裂力学行为进行理论分析和数值描述，我们考察了毕渥数、平板宽度、裂纹构型等因素对上述行为的影响。此外，材料参数的强非线性温度依赖性对热震行为的影响也被分析和评价。结果显示，考虑材料参数的非线性温度依赖性更为安全且十分必要。

    为了了解热震裂纹构型特征、形成机制及其与热震诸多影响因素的关系，我们设计了系列薄片陶瓷热震实验，包括不同尺寸的矩形和圆形试件，在不同热震温度下进行实验，定量测量了热震裂纹构型。实验显示，热震裂纹在随机分布中呈现出统计上确定的周期性和分级性等特征，并且随热震温度、试件尺寸、几何形状等因素的变化而变化：（1）热震裂纹垂直于试件热震表面扩展，并且裂纹长度出现分级现象。随着热震温度的增加，长裂纹长度增加，而短裂纹长度却减小，同时裂纹的分级数呈现出增加的趋势。（2）在同一热震温度，同一试件尺寸下，裂纹间距的离散度很小，并且随着热震温度增加，裂纹间距减小。（3）当试件尺寸达到一定大小后，随着试件的尺寸增加，裂纹的分级数、长裂纹的长度和间距随试件尺寸的增加而增加，而所有裂纹之间的间距基本保持不变。（4）圆片试件热震裂纹指向圆心，裂纹构型特征与矩形试件类似，但裂纹长度分级数目更多。

    基于最小势能原理和应力强度因子方法，采用可以周期加倍的模型作为计算域，我们分别建立了陶瓷材料二维周期热震裂纹的数值模拟方法，并且证实了两种方法在模拟裂纹扩展以及稳定性判据上的等价性。

    由于水淬热震对流换热系数资料的分散度较大（一个数量级以上）以及材料参数的非线性温度依赖性，目前尚无对热震裂纹构型的定量数值预报。对此，我们发展了一种“半逆方法”，利用容易测量的裂纹间距来估计难于测量的对流换热系数，然后定量预报了热震裂纹的长度和分级，朝着热震裂纹构型的定量预报前进了一大步。进一步地，通过对热震裂纹构型尺寸效应的研究，我们发现利用半逆方法逆向估计的有效对流换热系数不依赖于试件尺寸，这一发现能够帮助工程人员通过设计标准尺寸的试件来评价实际构件的热震性能。此外，我们从数值模拟推断，除了最长一级裂纹外，其余级别的裂纹长度，以及裂纹发生分级扩展的时刻都不依赖于试件尺寸。这一推断被实验和进一步的数值模拟、理论研究所证实。

    最后我们对不同宽度的试件进行了热震剩余强度实验，考察了剩余强度的尺寸效应以及与裂纹构型的关联规律。结果发现剩余强度随热震温度以及试件尺寸都呈现出平台区行为。利用断裂力学和有限元方法，并结合裂纹构型的统计，我们发现：随着热震温度增加，裂纹间距降低，裂纹长度增加；间距的减小提高了剩余强度，长度的增加降低了剩余强度，两者之间相反的作用使得剩余强度行为出现随热震温度的平台区。而随着试件尺寸的增加，实际裂纹间距以及无量纲裂纹长度基本保持不变；在相同无量纲裂纹长度下，剩余强度仅仅取决于实际裂纹间距，这一结果使得剩余强度出现随试件尺寸的平台行为。

    本文研究加深了我们对陶瓷材料热震开裂以及剩余强度行为的理解，推进了陶瓷材料热震失效机理的研究，并且为新技术陶瓷的研制和应用提供了理论和技术储备。