考虑微裂纹损伤的碳化硅陶瓷力学性能数值仿真研究

摘要

陶瓷等脆性材料的损伤与破坏过程一直是学者们的研究热点及难点。碳化硅陶瓷属于典型的硬脆性材料，具有优良的机械、热、化学性能，如较高的抗弯强度、优良的抗氧化性及低摩擦系数，广泛应用于机械、微电子等行业。以往学者在研究脆性材料的力学性能及破坏过程时，大多从材料宏观层次出发，将其假定为均质的理想连续体进行建模和仿真。这种简化尽管在一定程度上满足了工程实践的需要，但却难以研究脆性材料在外载荷作用下裂纹萌生、扩展以及贯通而导致的由细观层次到宏观层次的损伤与破坏过程。随着研究的不断深入，从细观尺度来研究脆性材料的断裂过程已经成为研究学者不可回避的问题。尤其是随着计算机技术的飞速发展，数值模拟方法为脆性材料的裂纹起始、扩展以及贯通，直至器件的宏观断裂等研究提供了更为丰富的研究手段。
　　本文基于离散元方法研究了随机微裂纹损伤对碳化硅陶瓷试样力学性能的影响，其主要研究内容如下：
　　首先，建立了碳化硅陶瓷的中心斜裂纹离散元模型，研究了中心斜裂纹对试样单轴压缩力学性能的影响；分析了碳化硅陶瓷破裂过程中力链的变化情况，得到了不同裂纹角对力链角度分布的影响；同时，研究了预应力对裂纹扩展、破坏模式及力学性能的影响。
　　其次，在中心斜裂纹的研究基础上将离散元模型扩展到等长共线裂纹及多条随机分布的裂纹系模型，研究了等长共线裂纹的裂纹角及内间距对试样力学性能的影响；建立了碳化硅陶瓷离散元模型的裂纹密度函数，研究了裂纹系模型中裂纹密度对试样破坏模式与力学性能的影响，其结果与Mori-Tanaka方法的理论结果相符；通过改变预设裂纹的分布情况，得到了不同的预设裂纹分布对试样破坏模式及单轴压缩力学性能的影响；并研究了预应力对含裂纹系试样力学性能的影响。
　　最后，将裂纹系模型引入到碳化硅陶瓷切削加工模型中，得到了不同裂纹密度条件下预应力、切削速度、背吃刀量等对切削加工过程的影响规律。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 脆性材料损伤的国内外研究现状

1.3 离散元法在脆性材料中的应用

1.4 本文来源及研究内容

第2章 受压中心斜裂纹的离散元研究

2.1 最大周向应力理论

2.2 直线型中心斜裂纹离散元研究

2.3 预应力对受压中心裂纹影响的离散元研究

2.4 本章小结

第3章 共线裂纹单轴压缩离散元研究

3.1 等长共线裂纹离散元模型的建立

3.2 不同裂纹角的等长共线裂纹离散元研究

3.3 不同内间距的等长共线裂纹离散元研究

3.4 多条等长共线裂纹的离散元研究

3.5 本章小结

第4章 含裂纹系的碳化硅陶瓷力学性能研究

4.1 含裂纹系的碳化硅陶瓷离散元模型的建立

4.2 裂纹系损伤分析

4.3 裂纹系模型预设裂纹随机性研究

4.4 预应力对碳化硅陶瓷试样的影响研究

4.5 本章小结

第5章 碳化硅陶瓷裂纹系缺陷对切削加工的影响

5.1 含裂纹系缺陷的SiC陶瓷切削加工离散元模拟

5.2 含裂纹系缺陷的切削加工过程离散元研究

5.3 裂纹密度对碳化硅陶瓷切削加工离散元结果研究

5.4 规则分布预设裂纹的离散元研究

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间所发表的论文与参与的项目