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在热/机械循环载荷作用下金属基复合材料的应力场分析

张万平  
【摘要】:纤维增强金属基复合材料(MMC)在诸如先进涡轮发动机和超音速飞行器等航空结构中的应用具有令人鼓舞的前景。这些结构要求承受非常复杂的热/机械循环载荷。为了这类MMC结构的安全设计和有效使用,一个非常紧迫的任务是要深刻地认识金属基复合材料的热机械疲劳(TMF)破坏特性。 作为研究金属基复合材料在热/机械循环载荷作用下疲劳特性的前期工作,本文基于剪切滞后模型的理论,研究了在热/机械循环载荷作用下的金属基复合材料的应力场,分别讨论了复合材料的基体不承受拉应力与承受拉应力的两种情况,在假设基体不承受拉应力的时候,分析了单根纤维断裂且纤维在断裂附近与基体之间发生脱落的问题;讨论基体承受拉应力的时候,依据影响函数叠加方法所得的结论,建立了多纤维断裂的简化模型,将应力场的控制微分方程仅建立在受断裂纤维影响的几层纤维和基体的范围内,并考虑了纤维与基体之间存在的剪切层,通过对金属基复合材料板在热/机械循环载荷作用下的应力场的研究,把金属基复合材料的应力场与基体循环热塑性、体积分数、纤维统计强度以及纤维-基体界面特性定量地联系起来,为进一步研究预测纤维增强金属基复合材料热机械疲劳寿命的理论体系奠定基础。 对金属基复合材料的研究结果表明:(1)当机械载荷与温度等幅度变化时,发生脱落的纤维附近的基体层存在一个新的循环塑性区,当循环载荷达到一定次数以后,屈服段的基体将继续与纤维脱落,进而产生新的屈服区,随着脱落区长度的增长,使基体产生新的循环塑性区所需要的载荷就会增大,当脱落区达到一定长度以后,由于摩擦力的影响,在同样大小的载荷和温度作用下,复合材料将不会再产生循环塑性区,而达到一种平衡状态。(2)在外载荷作用下,随着载荷的增大剪切层总是先于基体发生屈服,且载荷越大基体和剪切层的屈服长度越长,在同样条件下,如果基体和剪切层同时发生屈服,剪切层的屈服长度总是要长于基体的屈服长度。(3)温度变化对复合材料板应力场的影响与温度变化幅值、加载方式和初始温度的大小有很大的关系。 通过对模型的简化,得到了复合材料板应力场的精确解,应力场求解的计算量大大降低,所得结论更易用于复合材料的疲劳研究中。


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