梯度复合材料应力强度因子计算的梯度扩展单元法

推导了一种适用于梯度复合材料断裂特性分析的梯度扩展单元,采用细观力学方法描述材料变化的物理属性,通过线性插值位移场给出了4节点梯度扩展元随空间位置变化的刚度矩阵,并建立了结构的连续梯度有限元模型。通过将梯度单元的计算结果与均匀单元以及已有文献结果进行对比,证明了梯度扩展有限元(XFEM)的优越性,并进一步讨论了材料参数对裂纹尖端应力强度因子(SIF)的影响规律。研究结果表明:随着网格密度的增加,梯度单元的计算结果能够迅速收敛于准确解,均匀单元的计算误差不会随着网格细化而消失,且随着裂纹长度和属性梯度的增大而增大;属性梯度和涂层基体厚度比的增大导致涂覆型梯度材料的SIF增大;裂纹长度的增加和连接层基体厚度比的减小均导致连接型梯度材料的SIF增大。

含裂纹金属梯度材料的剩余强度研究

开展了含裂纹金属梯度材料剩余强度的试验和数值模拟研究,完成了含缺口TC4-TC11金属梯度材料的三点弯试验,基于梯度扩展有限元方法,建立了Ⅰ型裂纹金属梯度材料的剩余强度分析模型,结合交互式能量积分方法计算应力强度因子,引入K判据,建立了含I型裂纹金属梯度材料的剩余强度分析方法。并将模型的计算结果和试验结果进行对比,验证了该方法的有效性。基于该有限元方法详细讨论了材料参数对其剩余强度的影响规律,并得到了一些有用的结论。

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。