復(fù)合材料界面裂紋擴(kuò)展機(jī)理的數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著過程裝備向大型化和高參數(shù)化方向發(fā)展，制造過程裝備的材料面臨技術(shù)挑戰(zhàn)，而多層復(fù)合材料成為解決這一工程技術(shù)問題首選材料。復(fù)合材料界面是多相多層復(fù)合材料各相連接的“紐帶”，也是力學(xué)及特殊功能特性傳遞的橋梁，其界面斷裂失效機(jī)制將直接影響復(fù)合材料的最終綜合性能，因而先進(jìn)金屬復(fù)合材料過程裝備設(shè)計(jì)與安全評估技術(shù)的前提是要研究建立復(fù)合材料界面微區(qū)結(jié)構(gòu)、性能和服役條件—界面微區(qū)內(nèi)應(yīng)力和變形—界面斷裂失效關(guān)聯(lián)理論，為此本論文通過擴(kuò)展有限元數(shù)值模擬方法，

2、對其進(jìn)行了系統(tǒng)研究，明晰了具有初始界面裂紋缺陷復(fù)合壓力容器界面裂紋擴(kuò)展規(guī)律，揭示了界面裂紋的擴(kuò)展的形成機(jī)理，為具有初始界面裂紋缺陷的復(fù)合材料壓力容器延壽技術(shù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)，研究取得如下創(chuàng)新成果。
　　 傳統(tǒng)單層材料壓力容器初始裂紋擴(kuò)展的擴(kuò)展有限元數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究的對比分析表明采用XFEM法模擬壓力容器裂紋的擴(kuò)展過程，能準(zhǔn)確捕捉裂紋的擴(kuò)展形貌和擴(kuò)展方向，模擬研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果相吻合，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了XFEM法能夠用于壓力容器

3、殼體在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的裂紋擴(kuò)展過程的動(dòng)態(tài)模擬研究。
　　 系統(tǒng)研究了材料性能、服役條件和初始裂紋形貌對具有初始界面裂紋缺陷復(fù)合壓力容器的裂紋擴(kuò)展規(guī)律的影響，研究建立了復(fù)合材料界面微區(qū)結(jié)構(gòu)、性能和服役條件—界面微區(qū)內(nèi)應(yīng)力—界面斷裂失效關(guān)聯(lián)關(guān)系，揭示了裂紋擴(kuò)展的形成機(jī)理，為復(fù)合壓力容器的設(shè)計(jì)和安全評估奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 具有界面初始裂紋缺陷的復(fù)合壓力容器的界面裂紋顯橢圓形貌擴(kuò)展，且向彈性模量小的材料方向偏離界面擴(kuò)展，界面

4、裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)來源于界面裂紋微區(qū)的內(nèi)應(yīng)力。沿材料分層界面周向，分層界面裂紋前沿的裂紋微區(qū)的內(nèi)應(yīng)力的分布顯雙峰型態(tài)分布，雙峰頂點(diǎn)表示分層界面裂紋前沿位置，且隨著溫度載荷的增加，雙峰頂點(diǎn)之間的距離和裂紋微區(qū)的最大內(nèi)應(yīng)力增大，表明分層界面裂紋前沿沿著周向方向不斷擴(kuò)展，且擴(kuò)展速率增加。
　　 提出了通過在界面增設(shè)功能梯度過渡層提高具有界面初始裂紋缺陷的復(fù)合壓力容器構(gòu)剩余壽命的技術(shù)方法，研究建立了功能梯度過渡層界面微區(qū)結(jié)構(gòu)、性能和服役條件—