二维界面端应力奇异性及界面裂纹分析

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本文首先基于界面力学的基本知识,采用求解平面界面端应力奇异性的理论方法,研究了界面端形状对应力奇异性指数的影响。然后,采用大型通用有限元软件ANSYS求解界面端应力奇异性指数,并讨论界面材料匹配组合、界面端几何形状和界面端处圆弧过渡等因素对界面端奇异性的影响,利用数值模拟计算了界面裂纹问题中的应力强度因子,讨论了裂纹长度,界面材料匹配组合对应力强度因子的影响。研究表明,界面端的应力奇异性主要有以下四种情况:无奇异性、单一应力奇异性、二重实数应力奇异性、二重振荡应力奇异性。随着结合角的增加,这四种情况依次出现,应力奇异性逐渐增强。通过数值解与理论解的比较发现,本文采用的数值方法能满足精度要求。当泊松比相同时,两种材料的弹性模量比相差越大,奇异性越严重。材料的弹性模量比例不变时,泊松比的变化会引起奇异性的变化。随着结合角的增加,应力奇异性逐渐增强。通过在界面端加圆弧过渡发现,有圆弧过渡的情况明显的减弱了界面端处的应力奇异性,并且过渡半径越大,界面端处应力值越小,但是不同半径的过渡圆弧对界面端应力奇异性的改善程度基本相同。用相互作用积分法计算的应力强度因子具有良好的稳定性,并且界面裂纹的应力强度因子随着裂纹长度的增加而逐渐的增大。当裂纹长度一定、两种材料的泊松比相等时,随着弹性模量差距逐渐变大,界面裂纹的应力强度因子在逐渐增大。当裂纹长度一定、两种材料的弹性模量相等时,界面裂纹的应力强度因子也随着泊松比的变化而变化。
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