插值矩阵法分析与复合材料界面相交的平面裂纹奇异应力场

提出了用插值矩阵法分析与各向异性材料界面相交的平面裂纹应力奇异性。基于V形切口尖端附近区域位移场渐近展开,将位移场的渐近展开式的典型项代入线弹性力学基本方程,得到关于平面内与复合材料界面相交的裂纹应力奇异性指数的一组非线性常微分方程的特征值问题,运用插值矩阵法求解,获得了平面内各向异性结合材料中与界面以任意角相交的裂纹尖端的应力奇异性指数随裂纹角的变化规律,数值计算结果与已有结果比较表明,本文方法具有很高的精度和效率。     

复合材料Reissner板中与界面相交的裂纹奇异性分析

基于切口尖端附近区域位移场的渐近展开,提出了分析复合材料板中与界面相交的切口应力奇异性的新方法。将位移场渐近展开式的典型项代入弹性板的基本方程,得到关于复合材料板中与界面相交的切口应力奇异性指数的一组非线性常微分方程的特征值;采用变量代换法,将非线性特征问题转化为线性特征问题,并用插值矩阵法求解获得了各向异性结合材料中与界面以任意角相交的裂纹尖端的应力奇异性指数随裂纹角的变化规律;最后将计算结果与现有结果进行对比。结果表明:两种结果吻合较好,表明本文方法是有效的。     

正交异性多材料三维接头应力奇异性分析

不同材料组成的接头结构在实际工程中是很常见的,这些应力集中较高的接头常常是工程结构断裂失效所处的最关键位置。基于正交异性多材料接头端部物理场的幂级数渐近展开假设,由弹性力学理论导出了关于正交异性多材料接头端部应力奇性指数的特征微分方程组,并将接头端部的力学交界和边界条件表达为奇性指数和特征角函数的组合,从而将正交异性多材料接头端部应力奇性指数的计算转化为相应边界条件下常微分方程组特征值的求解问题,运用插值矩阵法求解可以获得多材料接头端部若干阶应力奇性指数和相应的特征角函数。数值计算结果与现有结果对比表明了该方法的有效性和具有较高的计算精度;同时计算结果还表明多材料接头结构发生断裂失效的主要原因是位移场特征角函数的一阶导函数在不同材料粘结界面发生了突变。     

轴对称圆柱界面裂纹的应力奇异性

复合材料中,纤维与基体的界面脱粘是复合材料细观损伤的基本形式之一。复合材料界面粘结强度对复合材料的宏观力学性能有重要的影响。复合材料界面断裂韧性的定义与测试要求对圆柱界面裂纹尖端应力场的奇异性有充分的了解。本文对轴对称圆柱界面裂纹的应力奇异性采用逐步近法作了近似的分析,文中对获得的所似结果作了较深入的讨论。     

与界面相交的裂纹尖端的应力奇异性分析

为了确定与结合材料的界面相交的裂纹尖端附近的应力奇异性次数,提出了一种基于最小势能原理的一维特殊有限元法.以奇异点为原点半径为r0的扇形奇异区域,可以简化为一维线性领域,即一条以代表结合材料的两个自由表面为端点的线段.对该一维线性领域作网格划分,采用三节点一维等参数二次单元.数值计算结果与已有理论解的比较表明,该方法具有很高的精度和效率.最后,利用文中给出的方法,得到了各向异性结合材料中与界面以任意角相交的裂纹尖端的奇异性次数随裂纹角的变化规律.     

影响双材料界面端三维应力奇异性的几何因素研究

应用常规有限单元分析技术,对几种典型接头形式的三维双材料结构界面端点附近应力奇异性进行了研究,重点分析了棱角(两自由平面的夹角)大小对界面端点附近应力奇异性指数的影响。数值分析结果表明:棱角大小对界面端应力奇异性指数有明显影响,棱角越大,奇异性指数越小;当棱角趋于180°时,端点附近的应力奇异性指数收敛于界面端线上的值(等于平面应变条件下的理论值)。研究发现,如果采用圆弧对三维双材料结构的棱边进行倒角,使相应的界面端线变成光滑连续曲线,则原界面端点附近的应力奇异性会完全退化为界面端线附近的应力奇异性,即界面端点独特的应力奇异性现象消失。     

结合材料界面端的三维应力奇异性

本文利用特殊有限元方法，开发了一个用来求解结合材料界面端三维应力奇异性问题的数值分析程序。该方法只需对界面端的角度方向进行离散即可求得应力奇异性。结合材料的应力奇异性取决于两种材料的材料常数和界面端形状。选用三个材料参数作为变量，用来研究结合材料三维应力奇异性随材料常数的变化规律。文中计算了几种重要而且常见的情况，并以此为基础建立了数据库。同时，还分析了应力奇异性随界面端形状的变化规律，并得到了应力函数的分布图。     

横观各向同性轴对称界面端奇异性研究

套筒模型是复合材料中常用的进行纤维、基体间应力传递分析的轴对称模型.在套筒模型中,中心为纤维,纤维外包裹的"套筒"有假设为各向同性基体材料的,也有假设为横观各向同性复合材料的.不失一般性,本文将纤维和基体均视作横观各向同性材料,建立了任意楔形角的横观各向同性复合材料基体包裹横观各向同性纤维的轴对称模型,采用两次坐标变换、逐次渐近等求解方法,得到了求解该模型界面端应力奇异性指数的特征方程.考虑常见的碳纤维/环氧树脂复合材料制成的压入和拔出试件,根据得到的特征方程计算了两种试件的界面端奇异性指数随碳纤维体积百分含量的变化情况,结果发现,随纤维体积百分含量的增加,两种试件界端的奇异性均呈减弱趋势.     

压电与导体双材料接头力电耦合场奇异性分析

将接头端部位移场和电势场的渐近展开式的典型项代入弹性力学的基本方程,得到关于压电与导体双材料接头力电耦合场奇性指数的一组变系数常微分方程的特征值问题;采用插值矩阵法一次性地计算出压电与导体双材料接头的各阶奇性指数及其相应的位移和电势特征角函数。数值算例表明:本文方法的计算结果与现有结果对比,最大相对误差不超过2.3938%,证明了本文方法的有效性和较高的计算精度;压电与导体双材料接头在异质材料黏结处位移特征角函数和电势特征角函数是连续的,而其一阶导函数发生突变。因此,压电与导体双材料接头异质材料黏结位置的位移场和电势场连续,而应力和电位移不相等,这是导致接头失效和破坏的原因之一。     

半平面双材料角界面应力奇异性分布规律的探究

论文对半平面双材料角受集中力问题的界面应力场作了深入的探究,特别着重于双材料角端点附近的界面应力的奇异性分布规律.论文通过对界面应力的严格解和渐近解[16]的比较,发现在双材料角界面端点邻近,严格解和渐近解的差是一个向端点衰减的微幅震荡分布的应力.这个向端点衰减的微幅震荡应力的起始点,称为转换点.自界面端点到转换点,严格解等于渐近解与微幅震荡衰减应力的叠加,称为渐近段.自转换点到无穷远,界面应力由严格解确定,是界面应力的基本段.在基本段内,渐近解单调变化并趋近于零,显著地偏离严格解.所以,转换点将界面应力曲线分成渐近段和基本段.文中讨论了渐近段界面剪应力奇异分布的特点,及半平面双材料角界面端点存在应力奇异性的条件.转换点的意义在于它是渐近段和基本段的过渡点.把转换点代入渐近段的渐近表达式,即可导出表征双材料角奇异性的界面剪应力强度因子与转换点的界面剪应力的关系式.这个关系式将有利于双材料角奇异性初始脱粘判据的研究和建立.     

考虑尺寸效应的双材料轴对称界面端应力奇异性

提出了一种分析双材料轴对称界面端的应力奇异行为的特征值法.基于弹性力学空间轴对称问题的基本方程和一阶近似假设,利用分离变量形式的位移函数和无网格算法,导出了关于应力奇异性指数的离散形式的奇异性特征方程.由奇异性特征方程的特征值和特征向量,即可确定应力奇异性指数、位移角函数和应力角函数.数值求解了纤维/基体轴对称界面端模型的奇异性特征方程, 结果表明:尺寸效应参数δ(奇异点与轴对称轴的距离和应力奇异性支配区域大小的比值)影响着应力奇异性的强弱与阶次, 准一阶近似解析解只是δ>>1时的一个特例.      

圆弧形裂纹问题中的应力对数奇异性

研究了无限大板上的一条圆孤形裂纹, 又在裂纹表面作用有反对称载荷. 换言之, 裂纹两侧表面的载荷是大小相等方向相同的. 上述问题可用复变函数方法来解决. 应力和位移分量通过两个复位函数来表示. 经过一系列推导, 此问题可归结为复变函数的黎曼-希尔巴德(Riemann-Hilbert) 问题, 并且可用闭合形式得出解答. 裂纹端的应力强度因子用通常方法定出. 在裂纹端邻域, 得到的复位函数中有对数函数部分. 由这个对数函数部分, 可以定义和得出裂纹端的对数奇异性, 此对数奇异性系数用闭合型式得出.     

异质双材料界面端部应力奇异性的实验分析

用高灵敏度的云纹干涉实验方法测量了弯曲载荷作用下异质结构的位移场，并采用局部混合法对实验结果进行处理，根据结果对界面端部区域的应力分布规律进行了讨论；求出了应力奇异性阶数λ和应力强度因子Ｋ，并将这一结果与Ｂｏｇｙ￣［１］等人用理论分析的方法所预期的结果和有限元计算结果进行了比较。本文的工作从实验的角度证实了异质双材料结构界面端部区域的应力状态可以用表达式：σ＿（ｉｊ）（ｒ，θ）＝ｋ·ｒ￣（－λ）ｆ＿（ｉｊ）（θ）来描述。     

三维双材料结构的应力奇异性分析

应用有限单元法子模型技术,对具有不同界面角的三维双材料结构的应力奇异性进行了分析。结果表明,应用子模型技术估算三维双材料结构的应力奇异性指数是有效的。然后分析了界面端线和界面端点处附近奇异性指数,得到了一些重要而有趣的结果。最后对消除三维双材料结构应力奇异性的几何条件进行了讨论。     

纤维端部的界面裂纹分析

基于弹性力学空间轴对称问题的通解,研究了短纤维增强复合材料中纤维端部的轴对称币形和柱形界面裂纹尖端的应力奇异性,得到了裂纹尖端附近的奇异应力场．研究结果表明,这两种轴对称界面裂纹尖端的应力奇异性相同,并且与平面应变状态下相应模型的应力奇异性一致,材料性能对裂纹尖端附近奇异应力场的影响可用三个组合参数描述     

粘弹性界面裂纹奇异场

对于许多粘弹性问题,通常可以利用对应性原理,即由弹性问题的结果得到对应的粘弹性问题在拉普拉斯变换域内的解,再通过反演变换求得最终时域中的解.但是,由于界面裂纹场存在着振荡奇异性,弹性问题解的形式就已经非常复杂,对应的粘弹性问题要通过反演变换直接求得准确的解析解几乎是不可能的.本文在利用对应性原理时做了更简单的准静态处理,即将弹性结果中的材料参数用粘弹性材料参数做对应替代,得到了粘弹性界面裂纹场近似的经典解,并与有限元分析结果作了比较.同时,利用Comninou接触模型,对粘弹性界面裂纹在远场拉剪混合加载情况下的裂尖应力场和接触区做了考察,并与经典解作了比较.     

双材料界面裂纹应力强度因子的边界元分析

采用双材料基本解建立边界元法基本方程,计算双材料界面裂纹尖端附近的应用力和位移场。不离散界面,并设置面力奇异四分之一点裂尖单元以提高计算精度。数值结果表明,本文的方法具有较高的精度和效率。     

求解界面裂纹应力强度因子的高次权函数法

从界面裂纹完备的特征展开式出发,利用伪正交特性,提出了计算界面裂纹特征展开式系数和应力强度因子的高次权函数法.文中计算的均匀材料应力强度因子,与已有结果吻合得非常好.并给出了界面裂纹的应力强度因子K1/K0和K2/K0随材料弹性模量比及裂纹长度的变化.     

夹杂和裂纹相互影响时的界面应力分析

本文结合无限域上单根夹杂和单根裂纹的基本解,将裂纹与夹杂相互作用的问题归结为解一组柯西型奇异积分的积分方程组,使问题得到解决。本文还使用夹杂两侧的未知界面应力差,进一步推导了夹杂两侧的界面应力,并做了数值计算。有关这方面的计算可以作为研究与设计纤维与基体的联结强度的工程参考。     

应用半权函数法计算界面裂纹的应力强度因子

应用半权函数法求解双材料界面裂纹的应力强度因子，得到以半权函数对参考位移与应力加权积分的形式表示的应力强度因子。针对特征值为复数λ的双材料界面裂纹裂尖应力和位移场，设置与之对应特征值为-λ的位移函数，即半权函数。半权函数的应力函数满足平衡方程，应力应变关系，界面的连续条件以及在裂纹面上面力为0；半权函数与裂纹体的几何尺寸无关，对边界条件没有要求。由功的互等定理得到应力强度因子KⅠ和KⅡ的积分形式表达式。本文计算了多种情况下界面裂纹应力强度因子的算例，与文献结果符合得很好。由于裂尖应力的振荡奇异性已经在积分中避免，只需考虑绕裂尖远场的任意路径上位移和应力，即使采用该路径上较粗糙的参考解也可以得到较精确的结果。