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金属梯度材料裂尖应力强度因子研究

沈逸文  
【摘要】:金属梯度材料是一种基于激光成型技术、实现不同金属材料合理布局、无连接、均匀过渡的应用于整体主承力结构的材料。基于这种特性,材料可以自行按强度、刚度、也可以按照寿命、甚至按照功能进行材料的合理布局,从而灵活构造多种创新结构提高效率。因此,近年来金属梯度材料在航空航天领域得到了广泛的应用,但是新材料的设计基础却非常的薄弱,滞后于先进的制造技术,甚至与之脱节,导致了新材料在应用上受到了设计基础的严重制约,限制了材料和制造技术。在材料的制备与使用过程中,难免在金属梯度材料内部会产生大量的微裂纹,这些微裂纹会逐步扩展演变成更大的裂纹,从而严重影响到材料的性能,因此研究金属梯度材料的断裂问题对材料的安全使用,优化设计和结构分析有着重大的实际意义。 本文基于金属梯度材料特性及交互式积分方法建立了金属梯度材料裂尖应力强度因子的计算方法。文中先回顾了金属梯度材料的提出与其断裂问题的研究现状,分别重点阐述了金属梯度材料断裂问题的理论研究、数值模拟及其现阶段的实验研究这三方面的研究现状。详细推导了交互式积分求解应力强度因子的具体方法。从金属梯度材料的连续性模型与细观力这两种模型的特点,讲解了如何使用有限元及交互式积分来计算模型的应力强度因子。编写了交互式积分程序并且结合有限元软件的分析,对含有不同类型裂纹的金属梯度材料进行了数值模拟,分别对含有边缘裂纹的金属梯度板、含边缘斜裂纹的金属梯度板以及含有按任意角度变化的中心裂纹的金属梯度板的断裂问题进行了模拟分析,计算了其应力强度因子,讨论了各参数对其应力强度因子的影响规律,并展望了其发展。


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