顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂行為研究.pdf

1、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料成型工藝簡單,在航空、航天、核能、建筑、汽車等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。斷裂破壞作為一種極常見的失效模式,嚴(yán)重影響該類復(fù)合材料的服役壽命。因此,研究顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂行為具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。由于受到數(shù)學(xué)工具的限制,解析方法無法處理復(fù)雜材料的斷裂問題,而實(shí)驗(yàn)方法則需要高昂的費(fèi)用也難以廣泛應(yīng)用。因此,數(shù)值方法成為處理顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂問題的強(qiáng)有力工具。傳統(tǒng)數(shù)值方法在求解強(qiáng)不連續(xù)(裂紋)和弱不連續(xù)(顆粒)共存的問

2、題時(shí)均存在一定局限性,精度和效率難以統(tǒng)一。本文借鑒傳統(tǒng)有限元法和擴(kuò)展有限元法,提出了一種新的計(jì)算裂尖特性的數(shù)值方法來研究顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的斷裂行為,考察了材料參數(shù)、幾何參數(shù)等因素對裂紋擴(kuò)展路徑的影響。主要內(nèi)容包括:
　　首先,介紹了顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂力學(xué)的基本理論及研究現(xiàn)狀,重點(diǎn)闡述了裂紋和材料界面相互作用時(shí)裂尖場的性質(zhì)。其次,介紹了處理顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料斷裂問題的典型數(shù)值方法,評述了這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后,簡要介紹了擴(kuò)展有限元法

3、(XFEM)的特點(diǎn)及研究進(jìn)展,指出了其可能改進(jìn)之處。
　　應(yīng)用XFEM研究和比較了三種常用的斷裂準(zhǔn)則,并模擬了功能梯度材料中邊裂紋的準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展,證明了XFEM的高效性。然而,當(dāng)裂紋尖端靠近顆粒與基體界面時(shí),應(yīng)用常規(guī)XFEM難以獲得精確的應(yīng)力強(qiáng)度因子。如果對裂尖局部的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行特殊處理,則會使得求解過程不統(tǒng)一且計(jì)算難度增加。因此,本文提出一種改進(jìn)的不含裂尖增強(qiáng)函數(shù)的擴(kuò)展有限元法,該方法在克服上述困難的同時(shí),并不丟棄擴(kuò)展有限元法的核心優(yōu)

4、勢。
　　應(yīng)用改進(jìn)的擴(kuò)展有限元法模擬了單個(gè)顆粒對基體裂紋準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展軌跡的影響,給出了對應(yīng)的無量綱化能量釋放率的波動情況,并討論了顆粒對基體裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的“排斥”及“吸引”作用。研究了界面缺陷對基體裂紋擴(kuò)展軌跡及裂尖斷裂參數(shù)的影響。與單顆粒情況相比,考察顆粒分布對復(fù)合材料斷裂行為的影響更具有實(shí)際意義。在單顆粒研究工作基礎(chǔ)上,應(yīng)用改進(jìn)的擴(kuò)展有限元法模擬了多個(gè)圓形顆粒存在時(shí)基體裂紋的準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展軌跡。研究了顆粒個(gè)數(shù)、間距及分布形式對主裂紋

5、尖端斷裂參數(shù)的影響。獲得了不同體積份數(shù)的橢圓形顆粒隨機(jī)分布時(shí)主裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子和初始擴(kuò)展角。
　　推導(dǎo)了包含動態(tài)效應(yīng)的相互作用積分。與已有的表達(dá)式相比,導(dǎo)出的相互作用積分具備兩方面優(yōu)勢:第一,不包含任何材料屬性的導(dǎo)數(shù)項(xiàng),即不要求積分區(qū)域內(nèi)材料屬性可導(dǎo);第二,當(dāng)積分區(qū)域內(nèi)存在材料界面(例如顆粒與基體界面)時(shí)仍然有效。因此,導(dǎo)出的相互作用積分可以方便地求解當(dāng)裂紋尖端靠近顆粒時(shí)的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子。將這一方法與改進(jìn)后的擴(kuò)展有限元法結(jié)