双向梯度复合材料裂纹尖端应力强度因子研究

为了进一步改善梯度复合材料力学分析及设计水平,推导了一种适用于双向梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元法(XFEM)。采用细观力学方法描述材料沿梯度方向变化的力学属性,通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展单元随空间位置变化的刚度矩阵,建立了结构的连续梯度有限元模型,并采用交互能量积分计算得到了裂纹尖端的应力强度因子(SIF)。通过与已有文献结果对比验证了梯度扩展单元的优越性,并讨论了双向梯度结构中相关参数对SIF的影响规律,得到结论:梯度扩展单元能够提高梯度材料中裂纹尖端SIF的计算精度,其计算结果随着网格密度的增加迅速收敛于精确解;双向梯度结构的组份分布形式和属性梯度能够明显影响裂纹尖端的SIF;对于多裂纹双向梯度结构,裂纹间的相互作用增大了裂纹尖端的SIF,弹性模量大的一侧SIF较大。

双向梯度复合材料板瞬态热应力分析

该文通过编写一种8节点高阶双向梯度单元建立了结构的连续梯度有限元模型,采用细观力学方法结合混合律准则描述了双向梯度单元变化的热物理属性。分别采用有限单元-有限差分法和有限单元法分析了在循环热载荷作用下双向梯度板Al 1100/Ti-6Al-4V/ZrO2的瞬态热传导和热弹性问题,给出了温度场和瞬态热应力场的时间响应历程和空间分布形式。最后讨论了相关参数的影响规律,得到了一些重要的结论:冷却阶段更加容易萌生表面裂纹;沿x方向组分的分布形式影响了瞬态热应力的大小,但对其时间响应和分布形式影响很小;沿y方向组分的分布形式影响了瞬态热应力的时间响应和分布形式,但对其大小影响很小。

热流密度/对流换热边界下双向梯度板的瞬态温度场分析

采用有限单元-有限差分法研究了热流密度/对流换热边界条件下双向梯度板的瞬态热传导问题。采用细观力学方法结合混合律准则描述了材料的热物理属性,通过推导一种8节点高阶双向梯度单元建立了结构的连续梯度有限元模型。计算给出了在考虑组份属性的温度效应下,温度场的时间响应历程以及不同时刻温度场的空间分布形式,并与材料属性温度无关时的计算结果进行了比较,最后讨论了相关参数对瞬态温度场的影响规律。结果表明:温度较低时,组份属性的温度效应对瞬态温度场影响很小;在y方向热流密度载荷的作用下,温度场沿x、y方向均存在明显的梯度;x方向组份体积分布系数的增大,延长了温度场达到稳态需要的时间,绝对温度梯度沿x、y方向均增大,稳态温度场升高;增大y方向组份体积分布系数的值,情况相反。