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三维T型裂纹应力强度因子的数值研究

张迎军  
【摘要】: 涂层/粘结层/基材层状结构的应用日益广泛,使得对其断裂强度的研究,不仅具有理论意义,还将为层状结构的设计和制备建立分析基础。涂层/粘结层/基材层状结构由于材料间力学和热学性能失配,在外载或温度载荷作用下,界面区域会产生较高的应力集中,导致层状结构在界面区域出现脱粘和开裂。还有一类破坏方式是龟裂,即裂纹发生在垂直界面方向,这类破坏在粘接层状结构、镀膜、涂层材料、陶瓷复合材料以及微电子材料中均容易出现。甚至,在生产和使用的过程中,以上两类破坏方式有可能复合发生。为此,本论文将采用通用有限元软件包ABAQUS,对异质结合层状结构中三维情形下的浅层下表面横向中央裂纹和椭圆形界面裂纹前缘的应力场和应力强度因子进行数值研究。 (1)研究了Hertz球形压头作用下涂层/粘结层/基材系统的浅层下表面横向中央裂纹系统。首先设计了裂纹前缘的有限单元网格,并以Newman-Raju经验方程为参考标准验证了其有效性,接着采用三维J积分法分析并总结了典型的不同材料弹性参数、不同半椭圆形裂纹短长轴比、不同粘结层厚度等情形下裂纹前缘应力强度因子的变化特性。 (2)研究了异质结合材料间埋藏椭圆形界面裂纹。采用交互能量积分法分析并提取了不同界面裂纹短长轴比时裂纹前缘的复合应力强度因子。分析了双材料弹性参数比值,椭圆形裂纹短长轴比值改变时,界面裂纹前缘的复合应力强度因子以及两个相位角(ψ和?)随裂纹前缘位置改变的变化规律。 (3)研究了浅层下表面横向中央裂纹与椭圆形界面裂纹同时发生(简称三维T型裂纹)的复合裂纹情况。考察了远场侧向均布拉伸载荷下,三维T型裂纹前缘的应力强度因子随异质结合材料的弹性参数、裂纹前缘特征几何改变时的独特变化特征。


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