異質(zhì)材料界面強(qiáng)度的數(shù)值分析與實驗研究.pdf

1、雙材料粘接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于諸如車輛、航空航天以及微機(jī)電系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域。這類結(jié)構(gòu)由于存在材料的非連續(xù)性，其強(qiáng)度和可靠性問題異常突出，極大地制約了其使用范圍和使用條件。一般來說，粘接界面端附近的奇異應(yīng)力場是引起異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一。因此，減輕或消除界面端及其附近的應(yīng)力奇異性對于提高界面結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而提高異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的安全可靠性有著重要的理論和實際意義。本文采用理論分析、數(shù)值計算并結(jié)合相應(yīng)的實驗，對界面端及其附近的應(yīng)力奇異性與界面強(qiáng)度

2、的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，具體內(nèi)容概括如下。
　　針對勻質(zhì)各向同性雙材料粘接梁結(jié)構(gòu)，采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/鋁(AL)和聚碳酸酯(PC)/鋁材料組合。首先利用特征值方程分析了平面應(yīng)變、平面應(yīng)力界面端奇異性特征值隨傾斜角的變化。而對于一般有限尺寸的三維結(jié)構(gòu)，理論分析將受到限制，則需要利用有限元分析軟件對具有不同界面特征的三維異質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力奇異性進(jìn)行分析，研究了影響雙材料三維界面端應(yīng)力奇異性的幾何因素。分析了傾斜角對三維界面

3、端奇異性特征值的影響，并與二維條件下的理論值進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)，界面端點的奇異性特征值不能用二維條件下的理論值來估算;而界面端線上的值在某些情況下可以用二維條件下的理論值進(jìn)行估算。同時分析了棱角大小對界面端點附近應(yīng)力奇異性的影響，研究結(jié)果表明:棱角大小對界面端奇異性特征值有明顯影響，隨著棱角的增大界面端點的奇異性特征值隨之增大并收斂于平面應(yīng)變條件下的理論值。研究發(fā)現(xiàn)，采用圓弧對三維雙材料結(jié)構(gòu)的棱邊進(jìn)行倒角，則原界面端點獨(dú)特的應(yīng)力奇異性現(xiàn)

4、象消失，完全退化為界面端線附近的應(yīng)力奇異性。其次，設(shè)計了一系列具有不同界面尺寸、接頭傾斜角的PMMA/AL和PC/AL材料組合粘接試樣，在純彎曲條件下進(jìn)行了強(qiáng)度試驗。實驗結(jié)果表明:界面尺寸大小對粘接梁的界面強(qiáng)度無明顯影響;失效彎曲應(yīng)力隨接頭傾斜角增大（應(yīng)力奇異性變強(qiáng)）而減小。這一結(jié)果說明減小或者消除界面應(yīng)力奇異性可以有效提高界面粘接強(qiáng)度。為進(jìn)一步研究三維應(yīng)力奇異性對界面強(qiáng)度的影響，設(shè)計了一系列有圓弧倒角的PMMA/AL和PC/AL試樣并