功能梯度材料疲勞裂紋擴展的實驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、功能梯度材料作為一種典型的非均質(zhì)復(fù)合材料,旨在滿足航天、國防等高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)Σ牧咸岢龅目量桃?。研究功能梯度材料的斷裂行為具有十分重要的意義。研究此類問題,通常采用實驗觀測、理論分析以及數(shù)值模擬等方法。實驗研究由于設(shè)備的限制以及高昂的費用,給實際工作帶來了很大的困難。理論研究則需要做大量的假設(shè),而且很難求解材料屬性和邊界條件復(fù)雜的問題。數(shù)值方法在理論上可以處理任意材料、載荷、結(jié)構(gòu)形式的問題,因此成為人們分析斷裂行為的一個重要工具。本文采

2、用一種新的數(shù)值計算方法——擴展有限元法來模擬功能梯度材料中的準(zhǔn)靜態(tài)裂紋擴展問題疲勞破壞一直是造成構(gòu)件失效的最主要原因,尤其是在飛行器控制系統(tǒng)伺服作動器中。構(gòu)件由于自身缺陷等原因產(chǎn)生裂紋后,即使在低交變載荷作用下,裂紋也會發(fā)生擴展而導(dǎo)致構(gòu)件失效。因此對于裂紋擴展速率及壽命預(yù)測的研究就顯得尤為重要。
　　本文采用粉末冶金方法按一定的質(zhì)量比制備了ZrO2/NiCr體系功能梯度材料,并將所制得的材料切割打磨成同一尺寸的三點彎試件,然后進行

3、壓-壓等幅循環(huán)加載的疲勞實驗,裂紋方向平行于材料的梯度方向。借助疲勞試驗機和相關(guān)輔助設(shè)備,分別研究了三點彎實驗過程中I型疲勞裂紋的擴展情況和I-II型疲勞裂紋的擴展情況。鑒于功能梯度材料制備工藝的區(qū)別以及材料組分的不同會對材料的各種參數(shù)帶來很大的差異,同時在進行疲勞裂紋擴展的數(shù)值模擬時又要求這些參數(shù)必不可少,本文又分別設(shè)計實驗測量了該三點彎試件的彈性模量和斷裂韌度。再借助于擴展有限元方法和二維情況下的相互作用積分來模擬I型和I-II混合