三维T型裂纹应力强度因子的数值研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状及选题意义
• 1.2.1 应力强度因子计算方法的研究现状
• 1.2.2 含三维缺陷结构J 积分研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 裂纹前缘应力强度因子及求解理论
• 2.1 虚裂纹扩展法
• 2.1.1 虚裂纹扩展法的发展
• 2.1.2 裂纹虚拟扩展模型的提出
• 2.1.3 两裂纹体的几何关系
• 2.1.4 两裂纹体的能量关系
• 2.1.5 能量释放率的定义与映射关系
• 2.1.6 能量释放率与J 积分的关系
• 2.2 J 积分能量法
• 2.2.1 J 积分技术
• 2.2.2 二维J 积分能量定义
• 2.2.3 三维J 积分能量定义
• 2.3 交互能量积分法
• 2.3.1 交互能量积分技术的发展
• 2.3.2 交互能量积分法的推导
• 2.4 本章小结
• I的数值研究'>第3章 接触载荷下多层结构中央裂纹 K_I的数值研究
• 3.1 引言
• 3.2 有限单元法建模及验证
• 3.2.1 有限单元模型
• 3.2.2 面形裂纹受远场拉伸应力时（裂纹前缘）网格设计的有效性验证
• I的变化特征'>3.3 接触载荷下多层结构中M 型裂纹前缘无量化K_I的变化特征
• 3.3.1 裂纹短长轴的比值
• 3.3.2 涂层与基材的弹性模量的比值
• 3.3.3 粘结层与涂层厚度的比值
• 3.4 本章小结
• 第4章 远场拉伸载荷下界面裂纹应力强度因子
• 4.1 引言
• 4.2 有限单元法建模及验证
• 4.2.1 有限单元模型
• 4.2.2 埋藏圆片裂纹验证
• 4.2.3 椭圆形埋藏裂纹验证
• 4.2.4 椭圆形界面裂纹的数值验证
• 4.3 远场拉伸应力作用下椭圆形深埋界面裂纹前缘应力场的特征
• 4.3.1 弹性模量的比值
• 4.3.2 泊松比的比值
• 4.3.3 裂纹短长轴的比值
• 4.4 本章小结
• 第5章 侧向拉伸载荷下三维 T 型裂纹应力强度因子
• 5.1 几何模型
• 5.2 有限单元网格模型
• 5.3 边界条件与载荷
• 5.4 数值模拟结果及其分析
• 5.4.1 三维T 型裂纹短长轴的比值
• 5.4.2 双材料弹性模量的比值
• 5.4.3 双材料泊松比的比值
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 今后的工作展望
• 参考文献
• 附录 1 由交互能量法求得的 T 型裂纹前缘 SIF
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果