基于数值模拟的弹性—蠕变双材料界面应力分析

利用ABAQUS大型有限元程序,对比分析线弹性和蠕变两种情况下Silicon/epoxy弹性-蠕变双材料界面应力分布问题.分析结果表明,界面边缘处存在严重的剪应力和剥离应力集中;边缘对齐结构的界面剪应力和剥离应力集中要小于边缘不对齐的情况;随着基体厚度增大,界面剪应力和剥离应力均减小;当基体与薄膜的厚度比增大到临界值时,剥离应力将反向,此时剥离应力的绝对值随着厚度比的增大而增大;蠕变会导致界面边缘附近剪应力和剥离应力松弛,且薄膜的蠕变指数和系数越大,蠕变松弛效应越明显,随时间增大,边缘附近界面上的应力逐渐趋近于零.     

平接型双材料的载荷位移特征与界面失效机理研究

针对双材料界面强度不足与界面应力分布不均的问题,对双材料界面强度、界面应力分布不均、载荷位移曲线(LD)波动等方面进行了试验研究与理论分析,利用铝/聚乙烯(PE)、铝/聚丙烯(PP)、铝/聚甲醛(POM)双材料的实验结果,对材料的TS813粘结试样界面强度与Ergo5800粘结试样进行了比较分析,对弹性模量与PE、PP、POM材料的界面强度进行了对比,分析了载荷位移曲线与界面断口。研究结果表明:铝/非金属双材料界面抗拉强度随着弹性模量增大而减小,TS813试样界面强度为Ergo5800试样的4.44、2.17、2.89倍,铝/橡胶前者为后者76.47%;界面强度分布不均导致界面剥落情况不同与LD曲线中波动现象,同种材料试样与同种粘结剂试样,试样界面强度越低载荷波动越明显。     

The singular stress field and stress intensity factors of a crack terminating at a bimaterial interface

For the fracture evaluation of inclined cracks terminating at the dissimilar material interface, not only the singularities, but also the detailed stress field and its stress intensity factors are necessary. However, though there are many researches reported on the singularity analysis, the stress field and its stress intensity factors are still not clear. This paper has deduced theoretically the singular stress and displacement fields near the tip of a crack terminating at the interface between bonded dissimilar materials, for both cases of real and oscillatory singularities. From the deduced singular stress field, the stress intensity factors are defined for such a crack, and the corresponding numerical extrapolation methods are also proposed. Through the numerical examinations, it is found that the theoretical stress distributions agree well with the numerical results obtained by the finite element method. Moreover, the proposed extrapolation method shows a good linearity, thus it can be used as an efficient way to determine the characteristics of the stress and displacement fields near the tip of a crack terminating at interface.     

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。     

双材平面中环形界面环向裂纹问题的超奇异积分方程方法

从研究环形界面双相材料平面任点处沿径向、环向作用单位力时的弹性力学基本解出发,利用Betti定律、几何关系和虎克定律得到双材料平面环向裂纹问题的位移场和应力场表达式,经代入裂纹岸应力边界条件,导出极坐标下以裂纹岸位移间断为基本未知量的超奇异积分方程组;通过适当的积分变换,用有限部积分原理处理方程组中所包含的两类奇异积分—Cauchy奇异积分和超奇异积分,解决极坐标下环形界面双材料平面环向裂纹问题用超奇异积分方程法的理论描述与数值算法。在嵌入物半径足够大时,计算结果与已发表文献对直线界面情况下平行于界面裂纹问题的计算结果一致。     

双材料平面斜裂纹问题超奇异积分方程方法

由双材料平面问题的弹性力学基本解，应用互等功定律和坐标变换，得到双材料平面任意斜裂纹问题位移场及应力分量表达式，经代入裂纹岸应力边界条件，获得以裂纹岸位移间断作为基本未知量的超奇异积分方程组；通过适当的积分变换，用有限部积分原理处理超奇异积分，建立该问题的相应数值算法。文中对任意位置的裂纹问题进行计算，并较为系统地分析界面对裂纹应力强度因子的影响，当裂纹垂直或平行于双材料界面时，计算结果与已有结果一致。     

化学机械抛光中Si/Cu/Ta/low-k界面剥离和断裂特性研究

超大规模集成电路随着布线层数增加和线宽的缩小,low-k材料的介电常数进一步降低,多孔low-k材料力学性能随之降低,使得晶圆在化学机械抛光(Chemical mechanical polishing,CMP)中面临的主要问题是Cu/Ta/low-k或者超低k材料的界面剥离。针对Si/Cu/Ta/low-k在CMP过程中的承载特性,建立单层布线和多层布线体系的界面力学模型,采用断裂力学理论和有限元法研究Si/Cu/Ta/low-k界面在CMP过程中界面的应力分布规律和界面裂纹的断裂强度。采用能量释放率来描述裂纹的扩展情况,根据界面裂纹能量释放率数值计算方法对裂纹长度、材料性质及不同的布线层数对裂纹扩展时的界面断裂/剥离特性进行仿真分析,得到界面应力分布、能量释放率、相位角与裂纹长度、材料性能、布线层数之间的关系变化曲线。结果表明:随着low-k力学性能降低和布线层数增加,裂纹能量释放率升高,界面裂纹更容易扩展。     

双相材料平行于界面裂纹问题的超奇异积分方程法

由双相材料平面问题的弹性力学基本解和相应裂纹问题的应力场一般表达式，通过微分运算及极限分析得到平行于界面裂纹问题的超奇异积分方程组，并在有限部积分的意义下建立相应的数值算法，把该问题的计算转化为对一个线性方程组的求解，就典型问题无量纲应力强度因子的计算结果表明，该方法与体力法与边界元分析基本一致。     

含圆形夹杂两相材料界面变形与损伤特性的数值模拟

为模拟复合材料界面行为,利用界面破坏单元和有限元程序,对金属基复合材料Al基体含Al2O3圆形夹杂的界面破坏行为进行一系列的数值模拟,分别采用切向和法向耦合的界面弹簧单元SPRINGA和由自编的非实体四节点界面单元等模型;比较各种界面模型的差别。由计算结果可知,考虑界面层的计算模型比不考虑界面层时合理;采用破坏型界面层即在界面处加入破坏弹簧或非实体破坏单元的计算模型比仅加入一层实体界面层的计算模型合理;加入破坏型界面层时,界面层力学性质的描述与参数值的给定对计算结果有重要的影响。     

铆接面对飞机关键接头力学性能的影响研究

文中采用试验测试结合有限元仿真分析的方法,针对某小飞机机身与机翼关键接头,研究了加强筋铆钉连接的接触面与关键接头附近应力分布的关系,并进一步分析了高强度胶处理接触面对应力分布的影响作用。研究表明：当铆钉连接的两接触面接触不紧密时,接头传力性能较差,接头处易出现较大的应力集中,从而影响其结构力学性能;高强度胶粘接接触面可以大幅提高铆钉连接的传力性能,使接头附近应力集中大幅减小,从而改善其结构力学性能。     

J and CTOD estimation for homogeneous and Bi-material fracture toughness testing specimens

This paper proposesJ and CTOD estimation schemes applied to fracture toughness testing, covering typical homogeneous and bi-material specimens. Recommendations are based on the plastic limit analysis (either slip line field or finite element limit analyses), assuming the rigid plastic material behavior. The main outcome of the present study is that theJ and CTOD estimation schemes (both codified and non-codified), recommended for homogeneous specimens, can be equally used for bi-material specimens with interface cracks. The effect of yield strength mismatch in bi-material specimens on the theJ-integral and CTOD is discussed.     

纳米切削过程中刀-屑接触区应力分布研究

高速切削时刀屑接触区的应力分布直接影响切削过程、切削温度及刀具磨损。利用分子动力学技术对纳米切削过程中刀屑接触区的应力分布特征进行研究,分别采用EAM势、Tersoff 势及Morse势计算单晶铜原子间、单晶硅原子间、工件原子与刀具原子间的相互作用力。分析纳米尺度下刀屑接触长度随切削距离变化的规律,探讨刀具前角对刀屑接触区应力分布的影响,通过描述刀屑接触区切屑原子的运动情况,为阐释刀屑接触区的应力分布特征提供依据。研究结果表明在刀-铜屑接触区,正应力在切削刃处最大,随着到切削刃距离的增大而减小,在刀-硅屑接触区,正应力以规则的波动形式逐渐减小。而切应力在切削刃处为负值,随着到切削刃距离的增大,切应力在刀屑接触长度的三分之二处增大到最大值后逐渐减小至零。     

脆性基体复合材料裂尖邻域夹杂-基体界面脱粘发展的数值模拟

夹杂-基体界面脱粘是脆性基体复合材料在拉伸载荷下的主要损伤机制之一.同时,材料内部裂纹尖端附近区域因应力集中,往往具有相对较高的损伤可能性.文中提出一种以一类包含"非均匀相"的解析胞元为基础的数值方法,以考察脆性基体复合材料内部裂尖临域夹杂脱粘的发展以及此过程中应力强度因子的变化.该方法分别应用含夹杂与含裂尖的解析胞元,以精确描述夹杂-基体界面与裂纹尖端附近的高梯度场函数,并利用Weibull概率函数控制加载过程中夹杂脱粘的发生.应用此方法可方便地建立复合材料内部裂尖附近细观结构的有限元模型,预测各夹杂依次发生脱粘的过程,并获得夹杂脱粘概率与裂纹场应力强度因子随载荷的发展规律.根据模拟结果,详细讨论材料各方面性质对于裂尖附近区域力学行为的影响.     

材料的切口强度与切口敏感性

较全面地总结了高塑性材料,低塑性材料和脆性材料拉伸切口强度的最新研究结果,给出了各种材料切口强度的估算公式。公式考虑了材料的拉伸性能,应力集中和切口根部的应力状态,以及加载条件等。     

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。     

A study on optimal bonding angles of bi-material interfaces in dental crowns with porcelain fused to metal

Interfaces between two different materials exist in the dental crowns used in dental restoration work. A common failure mode observed in dental crowns is debonding/fracture that is initiated at the corners of the interface between two materials, where a stress concentration or a stress singularity can be created. In this paper, finite element modelling and analytical methods are used to analyse the stress singularity at the free edge corners at the interfaces between porcelain and metal and also metal and cement in porcelain-fused-to-metal (PFM) crowns. Optimal ranges of bonding angles at the corners of the interface, that result in the elimination of the stress singularity, are obtained for PFM crowns made from a precious-metal-based or non-precious-metal-based alloy, respectively. The findings presented in this paper can serve as guidelines for the design and manufacture of PFM dental crowns.     

等通道转角挤压下变形体长度对应力的影响及开裂判据分析

利用有限元软件ANSYS对2024铝合金等通道转角挤压(Equal-channel angular pressing,ECAP)过程进行计算模拟,得到等效正应力(Von Mises应力)、切应力随变形体长度及下行位移的变化,结合ECAP试验,研究ECAP形变开裂的判据.结果表明,无论变形体长度及下行位移如何变化,等效正应力都小于材料的抗拉强度,而切应力则随着变形体长度的降低总体上呈下降趋势,当变形体的长度小于某一临界值时,计算模拟表明最大切应力小于材料的抗剪强度,样品开裂倾向大幅降低,二者相当吻合.研究结果不仅说明"最大切应力不大于材料抗剪强度"可以作为材料ECAP形变过程中不出现开裂现象的判据,而且也为材料的ECAP加工提供理性研究思路,即先实测材料的应力-应变曲线,然后基于上述判据对模具结构、材料预处理工艺及样品尺寸等进行优化设计.     

Comparisons of optimality criteria for minimum-weight dual material structures

A criterion established by Prager for minimum-weight design of structures, using different materials for tension and compression members, referred to here as bi-material structures, appears to have been completely overlooked in the literature. Cantilever and simply supported beam designs are analyzed to compare the result of applying this criterion with the conditions established by Michell in his groundbreaking paper on structural optimization. Surprisingly, for statically determinate bi-material structures, Michell's original conditions for minimum volume, also ensure minimum weight. However, for statically indeterminate structures, Michell's criterion does not give least weight unless the ratio, of yield stress to density, is the same for tension and compression members. For statically indeterminate cantilever design cases analyzed in this paper, the weight differences between those satisfying Michell's and Prager's conditions are shown to be very small, even when the ratio of yield stress to density tension differs by a factor of 7 between the tension and compression members. This allows the selection of alternative structural layouts for other attributes than minimum weight.     

复合材料飞轮的设计分析

复合材料具有重量轻，强度高等优点，是储能飞轮的理想材料。文中对复合材料飞轮的储能能力及其影响因素进行分析，并对两种结构复合材料飞轮－单层与多层等厚度圆环飞轮的应力分布与结构设计进行定量分析与比较。飞轮的储能能力受飞轮转子结构及其飞轮材料强度的影响，飞轮转子内外半径比应根据实际应用要求确定，选择高强度低密度的材料可提高飞轮的轮缘线速度，从而提高飞轮的储能能力，等厚度圆环飞轮的应力分布主要受飞轮转子内外半径比和材料物理特性的影响，对于内外半径比一定的层圆环复合材料飞轮，飞轮的环向应力远大于其径向应力。与单层圆环飞轮相比，多层圆环飞轮的应力分布更为均匀，合理，飞轮的储能能力更大。     

六磁极差动式逆磁致伸缩效应应力传感器的设计

基于铁磁材料逆磁致伸缩效应的应力测试是一种新技术。目前对该技术的研究重点是如何提高它的测试灵敏度。涉及测试灵敏度的因素很多 ,其中最主要的因素就是传感器的合理设计。设计了一种六磁极差动式磁致伸缩效应应力传感器 ,并对试件进行了扭转和单向拉伸应力测试。通过与应变电测试验比较 ,验证了该传感器的基本磁测性能与理论分析的一致性 ,结果也表明这种传感器具有灵敏度高、结构简单以及可用于多种形式应力检测等特点。