含共线裂纹功能梯度材料断裂问题分析

应用分层原理分析了具有不同弹性模量含共线双裂纹的功能梯度材料断裂问题。通过积分变换得到嵌入功能梯度材料裂纹的应力场和位移场,结合边界条件、连续条件及单个裂纹的应力场和位移场,将求解该裂纹问题转化为求解奇异积分方程组。通过求解奇异积分方程组得到裂纹的应力强度因子。最后针对材料弹性模量和裂纹几何参数对应力强度因子的影响进行了探讨。结果表明材料弹性模量分布形式对裂纹的应力强度因子影响显著,该结果可为功能梯度材料制备及材料设计等提供理论依据。     

功能梯度材料裂纹高阶渐近场研究

功能梯度材料内部常常产生各种形式的裂纹并最终导致材料破坏。因此，其断裂问题研究是非常必要的。假设弹性模量是空间坐标的指数函数，泊松比恒定，对于功能梯度材料中的Ⅰ型裂纹，裂纹尖端应力的高阶渐近场被研究。由胡克定律和形变协调方程得到平面问题的控制方程。采用渐近展开法，将该控制方程——高阶偏微分方程转化为常微分方程组，求解该方程组获得应力函数，进而得到功能梯度材料中裂纹尖端应力高阶渐近场的解析式。从该解可以看出，非均匀性对裂纹尖端渐近场结构的影响体现在非奇异项上。在材料非均匀性的影响下，功能梯度材料裂纹尖端渐近场高阶项的角分布函数的形式和系数间的关系与均匀材料的裂纹尖端场均有很大不同。在理论上揭示了功能梯度材料中裂纹尖端应力渐近场的结构以及材料的非均匀指数对裂纹尖端渐近场的影响。     

疲劳裂纹闭合的数值模拟方法

用弹塑性有限元法模拟含中心裂纹试件在等幅循环拉伸应力作用下的疲劳裂纹扩展过程,对塑性变形导致的裂纹闭合效应进行了分析。试件材料为2024-T351铝合金板,平面应力状态,线性随动强化假设。分析中考虑裂纹面的弹塑性接触和几何非线性变形,通过逐步释放裂尖节点来模拟裂纹扩展。考察了裂尖局部网格单元尺度、裂纹长度和平均应力对裂纹张开/闭合应力水平的影响。裂纹闭合效应会随疲劳裂纹长度增加而逐渐增强,呈先爬升再缓慢下降的趋势,应力比的增大会导致裂纹张开/闭合应力水平提高。此外,网格细度也对张开/闭合应力的大小有一定影响。     

三种工况下SiC/Al FGM紧凑拉伸试件的力学行为研究

SiC/Al梯度功能材料各梯度层由不同体积浓度的陶瓷和金属组成,由于材料组分梯度变化,克服了双材料界面的应力突变问题,从而获得优异的使用性能。文中应用Ansys软件和激光云纹干涉法,对具有四个梯度层的SiC/Al梯度功能材料紧凑拉伸试件在三种工况下的力学行为进行研究。通过Ansys分析得出试件裂纹扩展的规律以及裂前4mm处的应变分布,后续实验采集试件随各载荷变化的位移场云纹图,根据位移与条纹级数的关系以及小变形条件下应变与条纹级数关系式,得到梯度功能材料紧凑拉伸试件预制裂纹区的应变分布。通过两种方法相应结果对比分析,得出有关梯度功能材料的裂纹扩展准则的适用性方面的结论;同时,就实验获得的应变测量结果,讨论梯度功能材料的物性变化规律,以及材料组分和梯度层结构对材料整体物性参数的影响。     

考虑材料夹杂的接触问题数值分析

金属在冶炼过程中产生的非金属夹杂物以及裂纹等缺陷在交变载荷作用下产生应力集中,形成疲劳源,使部分材料与基体材料脱离产生裂纹,影响材料的疲劳寿命。基于半解析法(Semi-analytical method,SAM),将计算区域离散为若干个微立方体单元,每个夹杂可由不同数量的微立方体单元构成。根据等效夹杂方法(Equivalent inclusion method,EIM),每个单元夹杂均具有一个未知的等效特征应变,通过求解应力-应变本构方程组得到。接触压力通过共轭梯度法求解,进而得到表面残余变形和表层下应力分布等。采用二维和三维快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)算法快速求解变形、特征应力等变量。结果表明,算法稳定,收敛性好;材料夹杂对接触压力和表层应力分布有显著影响;处于接触表面附近的大尺寸夹杂对材料性能影响最大。基于本模型可模拟任意形状和分布的夹杂的影响。     

功能梯度材料的概述及其裂纹问题

功能梯度材料是一种新型材料。功能梯度材料的断裂力学分析属于非均匀材料断裂力学范畴。从裂纹尖端应力场和裂纹扩展两个方面,阐述了功能梯度材料弹性断裂分析的研究方法和主要结论。     

功能梯度涂层中的Ⅲ型周期裂纹问题

利用分层模型研究功能梯度涂层中的Ⅲ型周期裂纹问题,借助Fourier级数及传递矩阵技术,可将该边值问题化为求解Hilbert奇异积分方程,数值求解该方程即可得到应力强度因子.数值结果表明,当裂纹较密且裂纹相对较短时,裂纹之间的相互作用比较明显;材料剪切模量在厚度方向上的变化对应力强度因子具有较大的影响.     

功能梯度Al2O3涂层残余热应力分析

Al2O3/316L功能梯度材料是一种聚变反应堆第一壁的候选材料。为避免制备过程中因材料之间热物理性能差别产生的热应力过大造成材料的失效,须对梯度材料进行合理的热应力缓和设计。运用有限元软件,分析成分分布指数、梯度涂层厚度和梯度层数目等参数对Al2O3/316L功能梯度材料残余热应力的影响。分析结果表明：体积分布指数p=1.0时所受热应力最小,涂层承受压应力作用;梯度层数为9时热应力缓和效果最好;梯度层厚度不宜过大;将非功能梯度材料与优化后的功能梯度材料的残余热应力进行比,结果显示：功能梯度材料缓和热应力效果十分显著。最后利用等离子喷涂方法制备了梯度涂层测试涂层残余应力,并与有限元结果进行对比,以验证模拟的准确性。     

物性参数对非均匀界面裂纹应力强度因子的影响

建立了含非均匀界面层的三区双界面裂纹力学模型并使用了一种工程可设计的功能梯度物性参数变化的函数,系统的研究了均匀材料区域的弹性模量比和非均匀参数对界面裂纹尖端应力强度因子的影响规律,并且使用有限单元法计算界面裂纹的应力强度因子,通过计算发现,界面层非均匀参数和均匀材料的弹性模量比对非均匀界面层与均匀材料之间上的界面裂纹尖端的应力强度因子,有着重要的影响。主要规律表现如下:Ⅰ型应力强度因子占主导;弹性模量比大于1时,B1点处Ⅰ型应力强度因子与非均匀参数成非线性关系且存在极值点,该极值点随着弹性模量比的增加而较小,B2点处Ⅰ型应力强度因子随着非均匀参数的增加而增加;弹性模量比小于1时,界面处的Ⅰ型应力强度因子随着非均匀性参数的增大而减小,随弹性模量比的增大而增加,以上规律有利于工程设计来提高界面裂纹的抗断性。     

平面六节点等参应力奇异单元的精度研究

研究一种平面六节点应力奇异单元的计算精度问题。首先证明该单元具有1/槡r阶奇异性,然后用此单元计算同质材料中的裂纹和双材料界面裂纹的应力强度因子与裂尖应力分布,讨论裂纹尖端奇异单元的尺寸以及在奇异单元与常规单元之间布置一层过渡单元对精度的影响。研究发现,当布置在裂尖的奇异单元边长与裂纹长度的比值在0.1～0.2时,能得到足够精确的解答;而在此范围之外,随奇异单元尺寸进一步增大或减小,精度都会有所下降。对于同质材料中的裂纹以及模量比在10倍之内的双材料界面裂纹,布置过渡单元可以提高精度;而对于模量比大于20倍的界面裂纹,不设置过渡单元的计算结果却与理论解更接近。     

柴油机机体紧固面微动裂纹开闭现象的研究

柴油机机体材料ZL702A铝合金的微动疲劳实验中,裂纹形核于接触后缘,且在拉应力下裂纹处于闭合状态,在压应力下裂纹处于张开状态.本文针对该特殊的开闭机制采用有限元进行分析.首先利用累计耗散能的概念确定了裂纹萌生的位置,运用SWT参数法和MTS准则法模拟得到的裂纹拓展路径,与实验对比发现MTS准则可以较为准确地模拟裂纹纹...     

模量面内变化的梯度功能弹性薄层接触应力分析

针对材料均匀去除要求,提出了一种基于梯度功能研抛盘的加工新方法,研究了模量面内变化的梯度功能弹性薄层接触应力问题。用半逆解法推导出梯度功能弹性薄层无摩擦接触应力方程,引入补偿函数来补偿平面位移的影响,简化了解析过程;利用ANSYS建立了梯度功能研抛盘无摩擦接触模型,得到位移加载下试样表面的等效应力分布;通过与应力方程拟合,获得了应力预测方程解析式及相应的补偿函数关系。最后,建立了试验平台,试验对比结果显示误差在10%以内,验证了接触应力预测方程解析式的正确性。     

轴承表面裂纹应力强度因子有限元分析

在ANSYS中建立152726QT铁路用滚动轴承的模型,在受力最大处建立裂纹,手动生成裂纹尖端处的奇异单元,建立接触对并且编写受力函数,设置路径在不同载荷作用下分别对不同长度的裂纹在不同深度的应力强度因子进行有限元计算,分析裂纹长度及载荷对应力强度因子的影响。     

含裂纹金属梯度材料的剩余强度研究

开展了含裂纹金属梯度材料剩余强度的试验和数值模拟研究,完成了含缺口TC4-TC11金属梯度材料的三点弯试验,基于梯度扩展有限元方法,建立了Ⅰ型裂纹金属梯度材料的剩余强度分析模型,结合交互式能量积分方法计算应力强度因子,引入K判据,建立了含I型裂纹金属梯度材料的剩余强度分析方法。并将模型的计算结果和试验结果进行对比,验证了该方法的有效性。基于该有限元方法详细讨论了材料参数对其剩余强度的影响规律,并得到了一些有用的结论。     

基于弹性理论的功能梯度材料管板应力分析

功能梯度材料因其优良的热力学特性,在高温高压、大温差服役环境中的换热器管板制造过程中得到了广泛应用。目前,对功能梯度材料管板应力的求解都是基于弹性理论中的经典板理论求得。为此,利用物理中面概念,将材料的各向异性问题转化到经典板理论中,建立法兰连接且不兼做法兰的功能梯度材料管板的应力分布计算公式及管板危险点应力的求解公式,并采用ABAQUS对其进行压力载荷下的有限元分析,验证理论解的合理性。     

基于随机有限元方法的平面裂纹随机性影响因素分析

在考虑材料参数、裂纹长度、外载分散性的前提下,文中用Taylor展开随机有限元方法分析平面裂纹应力强度因子分散性。首先用一般六结点单元和六结点奇异等参单元建立平面裂纹的有限元模型,接着推导随机有限元方法用到的位移偏导数和刚度矩阵偏导数的表达式,最后给出在各随机因素影响下的应力强度因子均值和方差的计算公式,并将计算结果与Monte Carlo法模拟结果进行对比。算例结果显示,材料弹性模量、外载、裂纹长度的分散性对应力强度因子的分散性影响比较显著,而材料泊松比影响很小。     

功能梯度材料板壳多场耦合主动控制仿真

利用力-电-热多场耦合的弱变分方程和加强假定应变法，建立了一用于温度梯度作用下功能梯度材料板壳力学性能分析的固体壳单元，该单元既可用作实体单元，又可模拟薄曲壳结构，在厚跨比非常小的情况下也能获得令人满意的精度。结合常位移-速度反馈控制算法，对基于压电传感器、驱动器的功能梯度材料板壳的热变形及振动的主动控制进行了数值仿真，探讨了组分材料体积分数幂指数分布、控制增益等对功能梯度材料力学性能和控制效果等的影响。算例表明了常位移-速度反馈控制算法的正确性和单元的高效性。     

轿车轮毂过盈装配的有限元分析

通过对过盈装配的有限元分析,研究接触单元在过盈连接中的作用。建立轮毂装配的仿真模型,用ANSYS的接触单元对轮毂的过盈装配的应力情况进行了分析。并通过对材料进行弹塑性设置来模拟轮毂的位移和应力的变化,过盈连接的仿真分析为轮毂的前期设计提供指导意义。     

摩擦热和夹杂对高速微型球轴承接触亚表面裂纹萌生的影响

为探究高速工况下微型球轴承摩擦生热和材料夹杂对接触亚表面裂纹萌生的影响，基于赫兹接触理论与内聚力单元的本构关系建立了微观接触数值计算模型，设置具有热力耦合的自由单元，引入摩擦热和夹杂，研究在联合载荷作用下温升和夹杂对接触亚表面裂纹萌生的影响。结果表明：夹杂与温升均会促进裂纹的萌生且材料较硬的夹杂更易萌生裂纹；夹杂边界出现应力集中，摩擦生热使夹杂边界更易形成裂纹且裂纹大多在夹杂的左右两端。通过轴承温升的宏观试验结果与微观仿真结果对比验证了模型的正确性。     

陶瓷磨削表面残余应力对零件强度的影响研究

探讨了陶瓷磨削表面残余应力对断裂强度的影响。采用理论分析与实验检测相结合的方法 ,对残余应力行为包括残余应力数值、性质、作用深度和变化梯度及其对强度的影响进行了研究 ,研究结果表明 :残余应力对材料断裂强度的影响是通过磨削裂纹实现的 ;表面残余应力的数值、性质、作用深度和变化梯度的综合作用决定了断裂强度的性能 ;实质断裂强度性能受到了外加载荷与磨削残余应力的组合应力的制约。