机械载荷作用下三维功能梯度板的断裂分析.pdfVIP

第27卷 第1期 VoI．27，No．1 2015年 2月 Feb． 20 15 文章编号：2095—5456(2015)01—002104 机械载荷作用下三维功能梯度板的断裂分析 张艳艳 ，王文华 ，彭 杨 ，张泽辉。 (1．沈阳大学 师范学院，辽宁 沈阳 110044； 2．国家电网 鞍山供 电公司，辽宁 鞍山 110179； 3．辽宁电力勘测设计院，辽宁 沈阳 114009) 摘 要：为了深入理解功能梯度材料断裂失效问题 ，利用有限元方法获得了 维功能梯度材料裂纹尖端 的应力强度因子，研究了功能梯度材料模量 比对应力强度因子的影响，尤其是考察了不同材料属性分布形式 下功能梯度材料裂纹尖端的应力强度因子．计算表明：当裂纹靠近 自由表面时裂纹尖端应力强度因子表现出 复杂特性；材料模量比和材料属性分布形式对应力强度因子的影响显著． 关 键 词：机械载荷；功能梯度材料；有限元法；应力强度 因子 中图分类号：TB34 文献标志码 ：A 功能梯度材料是一种新型的复合材料，广泛 杂性增加，仅开展了少量研究工作．如Yildirim 地应用于航空航天领域．由于功能梯度材料的热 等人E。利用有限元方法分析了三维功能梯度涂层 力学性质可以表示为材料位置 的函数形式，因而 材料半椭圆表面裂纹问题 ，获得 了工型应力强度 其具有结构的可设计性，可以满足特殊工况环境 因子．结果表明涂层材料的梯度分布对 I型应力 的需要．目前 ，功能梯度材料的应用从航空航天领 强度因子影响很大．黄干云等人[7]利用分层模型 域逐步走 向核能、建筑、汽车、生物、民用建筑和体 思想，对梯度材料分层处理，并假设每个子层的材 育器材等领域．随着科技的不断进步和发展，功能 料性质按线性函数变化，考察了梯度材料涂层中 梯度材料会有更加广泛的应用空间． 的Ⅲ型周期裂纹问题．李永l8]通过对陶瓷一金属功 断裂失效是功能梯度材料常见的失效模式， 能梯度材料宏、微观结构分析，建立了三维力学 功能梯度材料的广泛应用离不开对其断裂性能的 模型，导出了应力分析方程．本文主要针对三维 理解．目前一些学者针对功能梯度材料断裂 问题 功能梯度板矩形贯穿裂纹问题进行研究，进一步 进行 了大量研究，NodaEl_针对材料属性不匹配导 考察材料的非均匀参数和材料属性分布形式对应 致非均匀材料开裂、脱粘现象进行了研究．Guo 力强度 因子 的影响． 等人 ¨2]通过分段指数模型分析了一般属性功能梯 1 有限元模型 度材料的热断裂问题．Guo等人l3]研究功能梯度 材料 内跨界面裂纹问题．张艳艳等人__4]利用有限 图1所示为含中心贯穿矩形裂纹的三维功能 元方法研究了热载荷下功能梯度材料裂纹问题， 梯度板，其 中板长宽比为 L／h=5，板长厚 比为 L／ 获得 了裂纹尖端热应力强度因子．Wei等人_5]进 ￡一12．5．功能梯度板内矩形贯穿裂纹两端坐标为 行了功能梯度材料板断裂分析，通过数值手段，获 (以，0，z)和 (6，0，2)，在功能梯度板x=O处材料非 得了远场载荷作用下含 中心裂纹二维功能梯度板 均匀常数为E 和 ，在功能梯度板 cc=h处材料 裂纹尖端的应力强度因子，多数学者们针对二维 非均匀常数为E 和 。，功能梯度板上下两侧受 功能梯度材料裂纹问题进行 了大量研究．然而对