表面热冲击下脆性材料半空间不同方位裂纹的临界长度

摘要

结构承受热冲击时,温度非均匀性会导致结构产生热应力,从而引起裂纹的萌生和扩展。该文研究脉冲激光作用下的含单裂纹脆性材料半空间温度场和应力场。基于Fourier(傅里叶)热传导和热-力耦合原理,建立瞬态热传导方程和平衡方程;采用ANSYS软件实现温度场和应力场三维问题的有限元数值模拟;分析不同裂纹在不同位置对热应力场的影响,从而得到裂尖应力强度因子;依据材料临界应力强度因子,通过有限元计算得出不同方位热冲击下裂纹扩展的临界长度。计算结果表明,脆性材料在受到Gauss(高斯)分布激光的辐照时,裂纹长比激光半径为0.12时,裂纹较为危险,且在r/r0=0.2处且与径向夹角为60°的裂纹更为危险,而且材料的断裂应属于剪切型断裂。这些结果可以为承受热冲击结构中的危险裂纹标定提供理论依据。