多铁性层合材料中的界面滑动——层内开裂的局部阻滑/促滑机制

基于多铁性层合材料界面的传统剪切线弹簧模型和库仑摩擦定律,考虑界面法向应力对界面滑动的影响,提出了一种界面阻滑/促滑模型,运用Green函数法推导了多铁性层合材料层内开裂问题的Cauchy奇异积分方程,获得了界面法向应力和裂纹尖端应力强度因子(Stress Intensity Factor,SIF)的数值解。结果表明:在纯剪切加载的情况下,界面上靠近裂纹的局部区域仍可能出现非零的法向应力,且正、负局部法向应力将分别导致局部促滑、阻滑效应。通过研究界面剪切损伤系数以及摩擦因数对SIF的影响,揭示了多铁性层合材料层内开裂的局部阻滑/促滑机制,为层状多铁性智能器件的防断裂优化设计提供理论参考。     

长期贮存的固体发动机药柱脱粘界面裂纹分析

为了分析长期贮存的固体导弹发动机药柱脱粘层界面裂纹在燃气内压和轴向过载联合作用下的扩展情况,建立了发动机药柱在包覆层与推进剂之间脱粘的三维有限元计算模型,并于脱粘界面的裂纹尖端设置三维奇异裂纹元,模拟脱粘界面裂纹扩展。在包覆层与推进剂之间设置不同深度脱粘,计算了在燃气内压和轴向过载联合作用下不同贮存期、不同深度的界面裂纹尖端的应力强度因子,得到了界面裂纹应力强度因子随贮存时间、脱粘深度的变化规律,对长期贮存的固体发动机脱粘界面裂纹的扩展进行了分析。     

橡胶-钢粘接界面断裂问题非线性有限元分析

为解决橡胶-钢粘接界面断裂非线性有限元计算问题,建立了含初始裂纹的橡胶-钢粘接复合结构有限元模型;用张开位移作为裂纹开裂的判定参数并模拟了裂纹的扩展,计算值与试验值的对比证明了该方法的可行性;计算了开裂前粘接界面的层间应力,分析了开裂前裂纹前沿和沿裂纹扩展方向的层间应力变化情况;用断裂力学中的柔度法计算橡胶-钢复合结构的能量释放率,计算并分析了能量释放率沿裂纹扩展方向的变化情况,并与实验结果进行了对比验证,结果证明:该方法是可行的。     

非均匀复合材料中裂纹扩展过程的数值模拟

应用有限单元法和最大正应力准则,引入楔形界面过渡层模型,求解相应的特征函数,准确地确定界面裂纹第一步开裂角,模拟了裂纹在非均匀复合材料中的扩展过程。结果表明:裂纹扩展初期呈波浪式前进,并最终沿着与最大正应力垂直的方向前进。这对此类结构的防断控制具有指导意义。     

氧化层增厚对涡轮导叶热障涂层残余应力的影响

为了获得氧化层增厚对热障涂层残余应力的影响规律,在前期采用热流耦合方法研究热障涂层温度场的基础上,考虑温度相关的热障涂层各层材料特性,分析了多循环、氧化层(TGO)热生长以及蠕变累积作用下涂层的残余应力。结果表明:经过50个热循环后,氧化层厚度在叶片尾部高温区域最大;当TGO厚度大于2μm时,TGO厚度越大,陶瓷面层内靠近界面附近的最大主应力增量越大,易导致陶瓷面层在界面附近出现断裂失效。TGO热生长还造成靠近氧化层/粘结层的界面区域内粘结层的Mises等效应力增大,致使粘结层再次进入塑性屈服的可能性增大;TGO热生长对导叶合金材料应力分布的影响可以忽略。     

双材料界面裂纹的加料有限元方法

为解决求解双材料界面裂纹应力强度因子等断裂参量的困难,在常规单元位移模式中引入界面裂纹尖端位移场,构建加料界面裂纹单元和过渡单元的位移模式,推出了加料有限元方程。采用不同的加料单元和过渡单元配置方案,建立了方形板中心界面裂纹和矩形板单边斜界面裂纹的加料有限元模型,求解有限元方程直接得到应力强度因子,与解析解的结果对比,表明该方法具有较高的精度,可方便地推广应用于界面裂纹的计算分析中。     

4点弯曲载荷作用下残余应力与弹性模量比对涂层/基体材料界面能量释放率的影响

采用有限元计算方法研究了在4点弯曲载荷作用下,残余应力、涂层与基体的弹性模量比(简称弹性模量比)对涂层/基体材料界面能量释放率及其相角的影响。结果表明:能量释放率随着残余拉应力、弹性模量比的增大而增大;能量释放率中的相角也随着残余拉应力的增大而增大,但并不敏感,其随着弹性模量比的增大而减小。研究结果可为评价涂层/基体材料界面结合性能提供理论依据,有助于深化对涂层/基体材料界面结合性能的认识。     

层状磁电弹半柱中同轴界面上的裂纹相互作用规律

针对“磁电弹-正交基体-磁电弹”3层半柱结构中2个同轴界面同时开裂的问题,建立了其断裂力学理论模型.运用位错模拟法和Green函数法,推导了裂纹问题的奇异积分方程组,并得到了应力强度因子的数值解.基于参数分析,讨论了层厚和裂纹的环向相对位置对应力强度因子的影响规律,阐明了其中的刚性边界效应、自由边界效应、屏蔽效应和干涉效应,揭示了屏蔽与干涉相互竞争所引起的局部区域内应力强度因子的特殊振荡现象.相关结论可为层状磁电弹智能器件的防断裂优化设计提供理论参考.     

激光熔覆搭接过程残余应力应变的有限元计算

激光熔覆过程中产生的残余应力与应变对熔覆层的裂纹开裂倾向有重要影响。利用有限元法对激光多道搭接过程熔覆层的残余应力和应变进行计算,计算过程中主要考虑瞬时温度变化引起的热应力、σ-ε曲线、有限元网格、力学边界条件4个方面。热应力主要在温度场计算结果的基础上求得;σ-ε曲线采用的是线性强化材料的弹塑性曲线;有限元网格主要采用分区划分的形式进行。通过计算,得到了搭接后的熔覆层上关键点的残余应力和应变分别为1 400 MPa和2.2×10^-2。结果表明：搭接熔覆层交界处的点产生焊趾裂纹的倾向最大,第1道熔覆顶点处产生横向裂纹的倾向次之。     

压电-正交基体复合半圆柱的界面端部开裂问题研究

建立了半圆柱形压电-正交基体复合材料界面端部开裂问题的力学模型,其中压电层为锆钛酸铅铁电陶瓷,基体为正交异性聚乙烯复合材料。综合利用位错模拟法、格林函数法和奇异积分方程法,对裂纹问题进行了理论分析。通过对应力强度因子进行数值求解和讨论,揭示了几何、物理参数对断裂行为的影响规律。从界面端部止裂的角度出发,找到了压电复合半圆柱的2种优化设计形式:一种是将"较软的内部基体"和"较硬的外部压电层"相结合;另一种是采用正交各向异性介电材料作为基体。另外,数值计算还表明:与剪切模量变化对应力强度因子的影响相比,压电系数和介电系数变化的影响至少要小2个数量级,因此后面二者对结构防断裂优化设计没有显著的实际意义。     

软硬交替多层膜法向压入过程的有限元分析

采用大变形弹塑性有限单元法,对高速钢基体上的软硬交替多层膜在法向压痕作用下的力学行为,进行了模拟和分析.为了研究膜层数和膜厚的影响,对从单层到16层的不同膜层体系进行了计算.通过对诸如膜层的变形、最大应力随膜层数的变化、界面剪应力分布、表面张应力分布等的分析,得出了这些参数的分布及其对膜层体系的摩擦学性能的影响.这些结果可为多层膜的结构优化设计提供定量的依据.     

对接厚板表面裂纹的残余应力强度因子

利用线弹簧模型求解对接厚板表面裂纹的残余应力强度因子。基于Reissner板理论和连续分布位错思想,将对接厚板表面裂纹问题归结为一组Cauchy型奇异积分方程,并采用Gauss-Chebyshev方法给出了奇异积分方程的数值结果,并与有限元解进行比较,计算结果表明:用线弹簧模型解决含残余应力表面裂纹问题不仅是合理可行的,而且是一种简单方便的方法,便于工程实际应用。     

位移不连续法在裂纹扩展仿真中的应用

探讨了在应用位移不连续法仿真裂纹扩展时对加载方式、裂纹扩展长度及应力强度因子计算等问题的处理方法,并据此编制了仿真程序,分析了裂纹在单向压载作用下的扩展趋势和应力变化,具有一定的工程应用价值。     

两栖装甲车辆车体应力试验分析

针对两栖装甲车辆装甲板裂纹现象,设计了表面应力测试试验.通过对某型两栖装甲车辆进行试验,并对采集的数据处理分析,获得了车体裂纹频发位置的主应力分布,验证了装甲板表面主应力是导致产生裂纹的主要因素,为解决裂纹问题提供了理论依据.     

Ti含量对(Cr,Ti)N复合涂层组织结构与性能的影响

通过改变Ti靶弧电流,在自行改造的多弧离子镀膜机上制备了不同Ti含量的(Cr,Ti)N复合涂层。研究了不同Ti含量对涂层沉积速率、成分相结构、表面形貌及纳米硬度等性能的影响,对涂层的硬化机理进行了探讨。结果表明:随着Ti含量的增加,复合涂层的沉积速率提高,晶粒尺寸变小,粗糙度降低。涂层的择优取向从(111)晶面逐渐过渡到(220)晶面;其相结构由CrN类型结构转变为TiN和CrN并存的混合相结构,最后转变为TiN类型结构。Ti的加入可显著提高复合涂层的硬度,当Ti在金属元素中的原子数分数为0.62时,复合涂层纳米硬度最高,为35GPa。与CrN涂层相比,CrTiN复合涂层具有较低的滑动摩擦因数和较高的抗滑动摩擦磨损性能。     

航空发动机燃滑油附件后盖裂纹原因分析与预防对策

针对某型航空发动机燃-滑油附件后盖同部位成批次出现裂纹的问题,提出了裂纹故障引导转移的避障策略。通过研究裂纹产生的主要原因,分析后盖不同部位所产生的裂纹可能对航空发动机造成的危害程度,调整改变原支撑结构,在后盖非关键部位形成新的应力集中点,降低关键部位应力集中区的应力幅值,迫使故障从不可修复的关键部位转移到可修复的非关键部位。经计算机仿真,确定了裂纹引导缺口的最佳参数;同时,仿真结果表明,裂纹故障引导转移策略合理可行。     

舰炮大型铸铝件断裂残余应力分析

采用盲孔法测试某型舰炮大型铸铝件残余应力,结果分析表明原结构中残余应力较大,部分位置残余应力超过材料屈服极限是其断裂的根本原因.通过工艺改进后,构件残余应力幅值大幅降低,满足工程要求.     

钢筋钢纤维混凝土既有裂缝梁中钢纤维阻裂作用有限元分析

通过建立钢筋钢纤维混凝土既有裂缝梁和钢筋混凝土既有裂缝梁的有限元分析模型,借助ANSYS分析了两种梁在荷载作用下的裂缝尖端处应力、裂缝宽度增幅和挠度并作出对比。分析结果表明钢纤维对裂缝开展有很好的阻止作用,而且能明显缓和裂缝尖端处应力,减小梁的挠度。