垂直于双材料非完美界面的裂纹断裂分析

当垂直裂纹到达两种材料界面时,其进一步的扩展受多种因素影响。采用线性弹簧模型模拟两种材料间的非完美界面,用能量释放率作为描述裂纹扩展的参量,结合有限元方法与虚拟裂纹闭合技术（VCCT）,提出了一种垂直于双材料非完美界面裂纹扩展能量释放率的计算方法;研究分析了能量释放率的影响因素。结果表明,界面参数对能量释放率有较大影响,尤其是沿裂纹法线方向的界面参数对能量释放率影响更大,存在上、下临界的界面参数,当界面参数大于上临界值或小于下临界值时,能量释放率达到极值,基本不受界面参数的影响;当裂纹在较软材料内时,能量释放率随着裂纹逐渐靠近界面而减小,反之,能量释放率增大;能量释放率随材料二弹性模量的增大而减小,随外载荷及裂纹长度的增大而增大,且外载荷及裂纹长度越大,能量释放率的增幅越大。     

Ⅱ型加载条件下复合材料与管线钢共固化界面有效搭接长度试验

为了确定复合材料与管线钢共固化胶结界面受剪时的有效搭接长度,设计了双搭接胶结试件拉伸试验.对界面在Ⅱ型加载条件下的失效扩展过程进行了试验研究和有限元模拟.试验结果表明,界面的破坏形式为脱粘失效.试验得到了复合材料表面沿拉伸方向上的应变分布规律,胶结界面剪切应力与滑移量之间的关系(Bond-Slip曲线),计算可得Ⅱ型加载条件下复合材料与管线钢胶结界面的临界能量释放率为1062 N/m,界面的有效搭接长度约为15.5 mm.将临界能量释放率应用到有限元模拟的界面本构,模拟得到的复合材料沿拉伸方向的应变分布规律与试验结果对比较好.有限元分析结果表明,裂纹沿着胶结界面由两侧向中间位置逐渐发生与扩展.     

基于接触算法的复合材料层板脱层损伤分析

针对长纤维增强树脂基复合材料层合板的脱层损伤破坏,提出了基于接触算法的脱层预测模型.在潜在产生脱层区域模拟为粘结接触,并将脱层模型作为界面的接触行为,引入一个损伤变量来表征在达到宏观裂纹之前的微裂纹和微缺陷区域面积,从而获得产生损伤时界面的有效刚度.通过结合传统的应力失效准则和断裂力学中的能量释放率准则定义了损伤发展过程中的损伤面,分析了脱层产生和扩展的整个过程.并将该模型通过ABAQUS/Explicit的用户子程序VUINTER实现.对控制双悬臂梁张开位移率方式下裂纹扩展的数值仿真结果与实验结果进行了比较,取得了满意的结果,验证了该模型的正确性.     

冲击载荷作用下层间短纤维增韧研究

采用基于全量Lagrangian理论的非线性有限元方法研究了冲击载荷作用下含层间短纤维的复合材料层板的分层扩展问题.通过Newmark方法求解动力学方程,以能量释放率作为裂纹扩展准则.用节点双编号和节点分离技术模拟裂纹扩展,用双向弹簧单元模拟层间短纤维作用.通过改变弹簧刚度修正短纤维桥联力,在裂纹表面和冲击接触区设置接触单元,并以罚函数法计算接触力,分析了层间短纤维的桥联作用对裂尖应力场和能量释放率的影响.结果表明:层间短纤维的桥联作用有效地降低了层间应力集中程度和裂尖能量释放率,增韧效果明显.     

压电复合材料中正六边形孔边裂纹反平面问题

基于压电复合材料力学,通过引入合适的数值保角映射函数,运用Stroh公式和复变函数方法,研究了压电复合材料中含正六边形孔边两不对称裂纹的反平面问题.首先由压电复合材料反平面问题的本构方程和力-电平衡方程推导出其控制方程,结合留数定理和Cauchy积分公式,求解出电不可通和电可通边界条件下裂纹尖端场强度因子和能量释放率的解析表达式.数值算例分析了正六边形的孔洞边长、裂纹几何尺寸以及机电载荷对等效场强度因子和能量释放率的影响规律.研究结果表明:正六边形孔洞边长和裂纹长度的增加会导致等效场强度因子的增大;在电不可通和电可通边界条件下,能量释放率随着正六边形的边长、裂纹的长度和机械载荷的增加而增加.在电不可通边界条件下电位移既可以促进又可以抑制裂纹的扩展,而在电可通边界条件下电位移对裂纹扩展没有影响.     

含对称穿透分层损伤复合材料层合板准三维分析

采用以准三维模型为基础的非线性有限元,研究了具有对称穿透分层损伤的复合材料层合板在均匀面内压缩载荷作用下的后屈曲变形,并结合虚裂纹闭合技术（ＶＣＣＴ）,计算了分层前缘的层间能量释放率各型分量。数值分析表明,含对称中心分层损伤斜交铺层复合材料的层合板在压缩载荷作用下,其分层扩展能量释放率与分层子板压缩方向上的刚度有关。     

双材料界面裂纹的能量释放率分析

利用J积分得到了一般条件下双材料界面裂纹的能量释放率(SERR),并按照裂纹尖端法向应力为0和Ⅰ和Ⅱ型耦合量JⅠ,Ⅱ为0的条件得到了应变能量释放率的Ⅰ型和Ⅱ型分量.其应变能量释放率分解的结果表明,轴力和弯矩都会产生Ⅰ型和Ⅱ型应变能量释放率分量.     

含裂纹功能梯度板能量释放率的ABAQUS用户子程序开发

为求解含裂纹功能梯度板的动态能量释放率,提出了基于非均匀有限元法的虚拟裂纹闭合法.基于有限元软件ABAQUS平台,开发了动态载荷作用下功能梯度材质的哑节点断裂单元,编写了用户自定义子程序UMAT和UEL,求解了动态载荷作用下的含裂纹功能梯度板能量释放率分量.对不同形状因子下的中心和倾斜裂纹功能梯度板的动态能量释放率分量进行了求解,并转化为动态应力强度因子,与差分法作比较.数值算例结果表明,动态载荷作用下功能梯度材质的哑节点断裂单元具有精度高、简捷方便、裂尖无需使用奇异元或特殊单元和子程序通用性强等优点,为工程师求解动态断裂参数提供了新途径.     

含层间分层复合材料层合板修复后能量释放率分析

研究了含层间分层损伤复合材料层合板复后的剩余压缩强度，基于板的一阶剪切变形理论和Von-Karman大挠度理论，提出了该类结构在轴压下的后屈英分析的有限元分析方法，利用虚裂纹闭合技术，计算巳修复的开裂区前缘再次开裂的能量释放率，并通过数值分析讨论了在不同分层面积、形状和不同的胶接层刚度等情况下的能量释放率分布规律。     

低频P波荷载下压电介质中共面裂纹的耦合断裂行为

对压电介质中共面裂纹的动态断裂问题进行建模,并求解该边界值问题.将裂纹形状等效为等面积的矩形以便于理论分析和增加安全评价的可靠性,采用一般Almansi理论得到了广义应力场、广义应力强度因子和能量释放率的解析表达式.考虑部分电导通裂纹边界条件,将边界值问题转换为3组对偶积分方程,并以裂纹上下表面的位移阶跃函数作为未知函数.通过将位移阶跃函数展开成Jacobi多项式,得到裂纹尖端的广义奇异应力、广义强度因子和能量释放率的解析解.最后,通过数值算例研究了P波载荷频率和矩形裂纹几何尺寸对裂纹扩展行为的影响规律.研究结果显示了该方法的正确性及在动载作用下裂纹相互作用引起裂纹扩展行为的复杂性.     

温度-荷载耦合作用下玻璃纤维增强复合材料-泡沫夹层结构Ⅰ-Ⅱ混合型界面断裂试验

复合材料夹层结构在长期的使用过程中发现界面剥离是夹层结构失效的常见模式之一,因此十分有必要研究不同温度条件下,玻璃纤维增强复合材料(GFRP)-聚氨酯泡沫夹层结构的I-II混合型界面断裂韧性。本项研究采用单臂弯曲试验(SLB)的方法测量GFRP-聚氨酯泡沫夹层结构的荷载-挠度曲线和裂纹扩展长度。试验结果表明:随着温度的升高,裂纹沿着界面扩展,芯材无破坏现象,极限承载力呈下降趋势。通过计算应变能释放率发现,随着温度的升高应变能释放率峰值呈上升趋势。运用界面裂纹扩展准则判定裂纹扩展符合理论要求。     

复合材料层合板的损伤分析

本文提出一种各向异性损伤模型.这个模型包含一条初始穿透裂纹以及受载后发生的材料损伤.通过理论分析,给出了裂纹尺寸与损伤量的等价关系以及裂纹能量率与损伤能量率的等价关系.文中给出的复合材料层合板裂纹能量释放率的计算表达式,为在复合材料层合板中运用断裂力学判据提供了条件.     

压电压磁复合材料椭圆夹杂界面开裂的电磁弹性耦合解

目的 讨论反平面剪切和平面内电场磁场共同作用下,压电压磁复合材料椭圆夹杂界面开裂的耦合解的表达式.方法 利用复变保角变换和级数展开法.结果 /结论给出了压电压磁弹性复合材料基体的复式表达式,并为计算受反平面剪切和平面内电场、磁场共同作用下的压电压磁复合材料能量释放率提供依据.     

混凝土内裂纹沿水泥石/骨料界面或穿透骨料发展的条件

采用有限元方法,通过计算能量释放率并与材料断裂韧性对比,对弯曲荷载下骨料/水泥石界面区域裂纹走向进行分析判定。研究了水泥石、骨料性质对裂纹走向的影响。计算结果表明,对于给定骨料的混凝土,随着混凝土抗压强度(σ_c)的增大,弯曲型裂纹和穿透性裂纹两种裂纹走向的能量释放率之比呈逐渐减小趋势,而界面与骨科的断裂韧性之比则逐渐增大。两曲线的交点为的临界点,对应的混凝土标准抗压强度称为临界抗压强度σ_(cr)。当σ_c<σ_(cr)时,裂纹将沿水泥石与骨料的分界面发展,形成弯曲型裂纹;当σ_c>σ_(cr)时,裂纹将穿透骨料发展,形成穿透型裂纹。骨料种类对于σ_(cr)值的影响较大,花岗岩骨料为80 MPa左右,卵石骨料为72MPa,石灰石骨料为58MPa。     

PZT/Surlyn 0-3复合材料的热机械与介电及压电性能

采用热工艺制备了压电PZT陶瓷与沙林离子键热聚合体树脂复合的0-3结构柔性压电材料.对其动态热机械分析表明:该复合材料软化温度在100℃附近;通过阻尼损耗因子随温度变化曲线的峰位置确定该材料的玻璃化温度约为50℃.通过对不同极化电场下的压电性能的研究,确定该复合材料的最佳极化电场条件为大于4.8 kV/mm;当PZT的体积分数(φ)小于0.5时,复合材料的相对介电常数和压电系数都随PZT体积分数的增大而缓慢增大,实验结果与Yamada模型预测较为一致.该0-3结构(1-φ)Surlyn/φPZT柔性压电材料在盲人触摸键盘、工业振动阻尼器件、柔性压电能量收集器件等领域具有很好的应用前景.     

PZT薄膜界面分层破坏的内聚力模拟

实验测试表明,单晶硅基板上磁控溅射沉积的多层薄膜材料Cr/PZT/PLT/Pt/Ti容易沿着Cr/PZT界面端开裂并发生分层破坏.我们在实验测试基础上,通过数值模拟计算与分析研究,确定了该薄膜界面的结合强度参数.模拟计算基于连续介质力学的内聚力模型,采用有限元方法来分析沿Cr/PZT界面的裂纹萌生和扩展过程.首先,将该界面表征为一个遵从指数或双线性内聚力模型本构关系的薄层.然后,通过与实测的断裂载荷、加载点的载荷-位移曲线校准的办法,确定出界面内聚法则参数.研究发现,内聚强度和内聚能是最为关键的内聚参数;双线性内聚力模型更适合于描述Cr/PZT界面破坏;与毫米量级厚度的薄膜材料相比,该多层薄膜材料中的Cr/PZT界面的内聚能较低,属于弱结合界面,沿着该界面的分层破坏为脆性断裂过程.本研究表明,宏观力学的内聚力模型同样适用于分析微米厚度薄膜的界面破坏问题.     

含分层损伤 AGS 起裂和扩展过程数值模拟

建立了在压缩荷载下先进复合材料格栅加筋结构(AGS)后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程的数值模拟方法.首先,基于一阶剪切变形理论和Von Karman几何非线性关系,提出了AGS结构后屈曲有限元分析模型;其次.采用总能量释放率准则,并利用虚裂纹闭合法(VCCT)及自适应网格的生成和移动技术分析了分层损伤的扩展过程,在分析过程中考虑了分层前缘的接触效应;最后,应用OpenGL实现了分层损伤的扩展动态可视化过程.通过典型算例.讨论了肋骨与分层中心的相对位置.以及蒙皮的铺层方式对AGS结构的分层起裂和扩展过程的影响.所提方法和所得结论对AGS结构的承载能力预测将具有参考价值.     

异种金属材料扩散焊界面断裂分析

本文探讨了将能量理论应用于异种金属材料扩散焊接头界面断裂韧性测试的可行性，并应用双悬臂梁试件测试了（Ａ３＋Ｃｕ，Ａ３＋ＬＹ１２）几种材料组合扩散焊接头界面的临界裂纹能量释放率。结果表明，异种金属材料扩散焊接头界面裂纹能量释放率与材料的弹性模量及板厚的组合有关，通过材料性能和几何尺寸的合理匹配，可以优化界面抗断裂性能。     

长度单位对界面裂纹与界面下裂纹干涉的影响

研究了长度单位的选取对界面裂纹与界面下裂纹干涉的影响。对于一条在远场载荷作用下的界面裂纹及其附近的界面下裂纹,采用伪力法计算了不同长度单位时无量纲化的应力强度因子和能量释放率。研究结果表明：对于具有与长度单位有关的振荡性的物理量,无量纲化不能保证其与长度单位的选取无关;对于不具有任何振荡性的物理量,无量纲化可以保证其与任何物理单位的选取无关。     

热冲击下层状梯度材料表面裂纹的能量释放率

用数值方法分析了具有表面裂纹的层状梯度材料在热冲击荷载下 ,裂纹所对应的能量释放率随时间变化的规律 ,着重讨论了呈现梯度变化的材料力学和热学参数对能量释放率的影响 .结果发现和均匀材料相比 ,呈梯度变化的热膨胀系数使裂纹的能量释放率有非常大的增加 ,而其它材料参数的变化影响很小