梯度非均勻復(fù)合材料熱力學(xué)響應(yīng)及斷裂特性的有限元研究.pdf

1、梯度材料是一種新型的非均勻復(fù)合材料，其組份體積含量、細觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能沿梯度方向均呈現(xiàn)出連續(xù)變化的特征。梯度復(fù)合材料以其優(yōu)異的熱力學(xué)性能和材料的可設(shè)計性，已經(jīng)在航空航天、機械工程以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。深入研究梯度材料的熱應(yīng)力緩和特性和斷裂性能是對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的前提，已經(jīng)成為當(dāng)下梯度材料研究的熱點和難點。本文采用梯度單元法，研究了梯度材料的熱力學(xué)響應(yīng)特性、裂紋尖端應(yīng)力強度因子以及裂紋擴展路徑，主要內(nèi)容包括：
　　

2、（1）在經(jīng)典細觀力學(xué)基礎(chǔ)上，推導(dǎo)得到了梯度材料熱力學(xué)響應(yīng)的細觀力學(xué)控制方程以及等效熱物理屬性的預(yù)測公式。給出的表達式中充分考慮了組份顆粒之間的相互影響，因此更加適合梯度材料全梯度范圍內(nèi)的等效性能分布預(yù)測。結(jié)合傳統(tǒng)的細觀力學(xué)方法，觀察了梯度材料等效熱力學(xué)及熱傳導(dǎo)性能參數(shù)的空間分布形式。
　　（2）考慮材料屬性的梯度效應(yīng)，推導(dǎo)得到了平面梯度熱傳導(dǎo)單元和梯度平面應(yīng)力（應(yīng)變）單元的剛度矩陣，并建立了結(jié)構(gòu)的連續(xù)梯度有限元模型。闡述了不同工況

3、下平面梯度單元的計算性能。在熱循環(huán)載荷作用下，分別研究了單向梯度和雙向梯度結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度場以及熱應(yīng)力場分布，詳細討論了屬性梯度參數(shù)對其熱力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律。最后，分別按照最低溫度場和最小熱應(yīng)力場準(zhǔn)則給出了梯度材料的優(yōu)化設(shè)計方案。
　?。?）在傳統(tǒng)的均勻擴展單元剛度矩陣中引入了材料屬性的非均勻性，推導(dǎo)得到了平面梯度擴展單元的剛度矩陣，建立了開裂結(jié)構(gòu)的連續(xù)梯度有限元模型，并計算得到了結(jié)構(gòu)的位移場和應(yīng)力場。采用梯度材料的交互能量積分方法

4、計算了裂紋尖端的混合型應(yīng)力強度因子。驗證了梯度擴展單元在計算梯度材料應(yīng)力強度因子方面的優(yōu)越性。詳細討論了材料的屬性梯度參數(shù)對應(yīng)力強度因子的影響規(guī)律。計算了幾種典型梯度結(jié)構(gòu)件中裂紋尖端的應(yīng)力強度因子，并比較了單向梯度材料和雙向梯度材料斷裂特性的差異。
　?。?）采用梯度單元法模擬了梯度結(jié)構(gòu)中的準(zhǔn)靜態(tài)裂紋擴展路徑。模型中分別使用最大周向應(yīng)力準(zhǔn)則和最大周向比應(yīng)力準(zhǔn)則計算裂紋擴展方向，混合率準(zhǔn)則計算材料的等效斷裂韌性分布，比較了兩種準(zhǔn)則在