机械载荷与热载荷下功能梯度材料的断裂特性分析

摘要

功能梯度材料作为一种多相材料，其结构与力学性能在空间呈连续性变化，具有良好的热应力缓和、耐腐蚀、高强度以及良好的光电效应，愈来愈多地引起了学者们的兴趣。由于其力学特性和组成成分的连续性变化，通过功能梯度材料连接的不同材料可以达到减小甚至消除其物理性质与化学性质的突变，减少应力集中，其性能之优良也正是人们所追求的，越来越多的应用到航空、航天等高精尖领域。由于所处环境的复杂性，功能梯度材料构件的服役时间与服役质量显得尤为重要，在服役期间材料表面难免会产生各种缺陷，其中在机械载荷与热载荷下裂纹的产生大大降低了材料构件的服役寿命，故研究裂纹的萌生与扩展对降低断裂带来的危害性具有现实意义。
　　本文分别对功能梯度板在热载荷与机械载荷下的断裂特性进行了分析，在机械载荷下建立了功能梯度材料 V型缺口根部裂纹的有限元模型，数值分析了缺口根部裂纹前沿中面裂尖的应力场与缺口的张角α以及梯度参数β之间的关系；接着在有限元软件 ABAQUS中对功能梯度 V型缺口根部裂纹的扩展路径进行了模拟仿真，讨论其与梯度参数的关系；最后对含椭圆形裂纹的功能梯度材料板在热载荷下的应力强度因子 K沿着裂纹前缘的变化进行了分析，得到了以下结果：
　　（1）机械载荷下缺口根部裂纹前沿中面裂尖等效应力、位移及应力强度因子随着梯度参数β的增大而增大；应力强度因子 K随张开角α的增大而减小，其中在0°～60°之间减小缓慢，在60°～90°之间减小程度明显，而在大于90°时随张开角α应力强度因子 K迅速减小。在阶跃冲击载荷下材料梯度参数β越大，其动态应力强度因子的值愈小。
　　（2）机械载荷作用下缺口根部裂纹的偏转角与梯度参数β成反比关系，即扩展路径的斜率越来越小，缺口双边裂纹时，裂纹开始会向基体一侧偏转。当扩展到一定程度时裂纹之间相互吸引大于材料参数的影响而平行靠近。
　　（3）在热载荷作用下，靠近相对高温区产生压应力，远离高温区或者靠近低温区产生拉应力从而导致了裂纹面的张开或者闭合，温度梯度（T2/T1）越大裂纹面张开或者闭合的效应就越明显。升温热载荷下对任何温度梯度而言都是热应力强度因子K随着Φ的增大而减小，即裂纹最深处的应力强度因子最小；降温热载荷下对任何温度梯度下都是热应力强度因子K的值随着Φ的增大而增大，即裂纹在最深处的应力强度因子达到最大。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题的研究背景与意义

1.2国内外现状

1.3功能梯度材料断裂特性研究的发展趋势

1.4课题的来源

1.5课题研究内容

1.6本章小结

第2章 功能梯度材料断裂理论基础

2.1引言

2.2材料的弹塑性理论

2.3功能梯度材料裂纹尖端场

2.4功能梯度材料裂纹扩展

2.5功能梯度材料参数等效

2.6本章小结

第3章 机械载荷下功能梯度材料V型缺口根部裂纹尖端场强分析

3.1 引言

3.2功能梯度材料缺口根部裂纹尖端场强分析

3.3缺口根部裂纹尖端场强的有限元分析

3.4本章小结

第4章 机械载荷下功能梯度材料V型缺口根部裂纹扩展分析

4.1 引言

4.2功能梯度材料的屈服强度准则

4.3功能梯度材料的断裂准则

4.4扩展有限元法在功能梯度材料中的应用

4.5缺口根部裂纹的扩展路径的分析

4.6本章小结

第5章 热载荷对功能梯度材料裂尖应力强度因子的影响

5.1 引言

5.2功能梯度材料热疲劳失效原理

5.3功能梯度材料热传导问题中的无网格化方法

5.4热载荷下含裂纹功能梯度材料的有限元分析

5.5本章小结

总结与展望

工作总结

课题展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文