顆粒增強復(fù)合材料斷裂行為研究.pdf

1、顆粒增強復(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,嚴重影響該類復(fù)合材料的服役壽命。因此,研究顆粒增強復(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,而實驗方法則需要高昂的費用也難以廣泛應(yīng)用。因此,數(shù)值方法成為處理顆粒增強復(fù)合材料斷裂問題的強有力工具。傳統(tǒng)數(shù)值方法在求解強不連續(xù)(裂紋)和弱不連續(xù)(顆粒)共存的問

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

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

4、勢。
　　應(yīng)用改進的擴展有限元法模擬了單個顆粒對基體裂紋準靜態(tài)擴展軌跡的影響,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際意義。在單顆粒研究工作基礎(chǔ)上,應(yīng)用改進的擴展有限元法模擬了多個圓形顆粒存在時基體裂紋的準靜態(tài)擴展軌跡。研究了顆粒個數(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)的橢圓形顆粒隨機分布時主裂紋尖端的應(yīng)力強度因子和初始擴展角。
　　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,即不要求積分區(qū)域內(nèi)材料屬性可導(dǎo);第二,當積分區(qū)域內(nèi)存在材料界面(例如顆粒與基體界面)時仍然有效。因此,導(dǎo)出的相互作用積分可以方便地求解當裂紋尖端靠近顆粒時的動態(tài)應(yīng)力強度因子。將這一方法與改進后的擴展有限元法結(jié)