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双材料界面端特性及其有限元分析

作　者: 程伟光
导　师: 于政文
学　校: 东北大学
专　业: 固体力学
关键词: 双材料界面理论弹塑性粘塑性有限元
分类号: O346.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 40次
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内容摘要

随着各类功能材料、复合材料等先进材料的工业应用范围的不断扩大,由不同材料组成的界面的力学行为,越来越受到了人们的重视。在现代科技高速发展的今天,无论从宏观还是微观角度看,可以说界面问题已变得无处不在,它已是科研和工程技术人员必须逾越的技术难关之一。对材料或结构整体的力学行为乃至基体材料等的界面、晶粒界面、颗粒增强体与基体界面、介在物与基体的界面等的力学行为,对先进材料的性能设计与开发及其结构寿命的精确评价等,具有重要意义。本文通过一个最基本的示例,提出不同材料界面之间,尤其是结合部位,会在界面处产生应力集中现象,而且在弹性力学上,应力可以是无穷大的(称为应力奇异性,即应力集中非常严重),定性地说明了为什么结合材料的破坏,多数是从结合界面端部开始的现象。近年来,国内外众多学者对界面问题也进行了研究,提出了重要的结合界面问题的材料参数,即Dundurs参数。本文介绍了Dundurs参数的提出方法,以及讨论了该参数的值域,并整理得到两Dundurs参数与奇异性指数的相关方程；取直角结合材料界面端,对于给定材料即可求得奇异性指数,可以判定结合材料是否存在应力奇异性。既然结合部位会出现应力集中现象,只要应力集中足够大,那么在界面端就会出现较为明显的塑性区,使得结合部尖端进入塑性屈服状态。本文通过仿照J积分和HRR场的推导过程,推出双材料界面端周向应力分布的控制方程,且根据位移匹配法,推得不同硬化指数界面端附近应力奇异性指数的补充方程式,从而由控制方程得到对应的周向应力分布。再应用有限元方法,使用计算机对其进行数值模拟,其结果与本文所得到周向应力分布形式基本相近,但由于推出的周向应力分布图,应用位移匹配法进行处理,使得部分数据有所偏差,但两种结果还是较为相近的。同样也推得相同硬化指数界面端附近应力奇异性指数的补充方程。本文最后提出了双材料粘塑性界面端应力奇异性的分析方法,但目前尚未有较为系统的理论及方法,仅有少数人对双材料粘塑性界面裂纹进行了分析,因此,本文仅采用有限元模拟的方法,将粘塑性部分和塑性部分进行比较,从而得出了基本相似的应力场分布。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 研究意义  10-11
  1.2 界面的力学模型及其分类  11-14
    1.2.1 几个基本概念  11-12
    1.2.2 界面的力学模型  12-13
    1.2.3 界面的分类  13-14
  1.3 工程背景及发展史  14-16
  1.4 本文所做工作  16-18
第2章弹性界面理论  18-30
  2.1 Dundurs参数及Dundurs参数值域  18-21
    2.1.1 Dundurs参数的提出  18-20
    2.1.2 Dundurs参数的值域  20-21
  2.2 平面界面端附近奇异应力场  21-28
  2.3 本章小结  28-30
第3章弹塑性界面端及有限元分析  30-50
  3.1 J积分和HRR场简介  30-34
    3.1.1 J积分  30-32
    3.1.2 HRR场  32-34
  3.2 幂硬化结合材料界面端的奇异应力场  34-41
    3.2.1 硬化指数不同时的界面端裂纹应力奇异性指数  37-41
    3.2.2 硬化指数相同时的界面端裂纹应力奇异性指数  41
  3.3 弹塑性材料界面端应力分布有限元分析  41-47
    3.3.1 弹塑性界面裂纹分析  42-43
    3.3.2 界面端夹角成等角度  43-45
    3.3.3 界面夹角成不等角度  45-47
  3.4 本章小结  47-50
第4章粘塑性界面端有限元分析  50-54
  4.1 界面裂纹分析  51
  4.2 界面夹角成等角度  51
  4.3 界面夹角成不等角度  51-52
  4.4 本章小结  52-54
第5章结论与展望  54-56
  5.1 结论  54
  5.2 展望  54-56
参考文献  56-58
致谢  58

双材料界面端特性及其有限元分析

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