雙材料界面裂紋的ANSYS分析

2013-07-17 by:廣州Ansys中心來(lái)源:仿真在線

雙材料界面裂紋的ANSYS分析

隨著各種材料和結(jié)構(gòu)斷裂事故的不斷出現(xiàn),材料在服役過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的斷裂失效原因逐漸引起了人們的關(guān)注。近年的研究表明,發(fā)達(dá)國(guó)家,如美、口、歐盟等在各種結(jié)構(gòu)的斷裂破壞事故上的花費(fèi)約占國(guó)民生產(chǎn)總值的6%。復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,生產(chǎn)工序多,造成了復(fù)合材料內(nèi)部通常會(huì)存在大量不同形式的缺陷。復(fù)合材料的服役環(huán)境一般都很惡劣,材料內(nèi)部缺陷極易引發(fā)微裂紋,從而導(dǎo)致復(fù)合材料發(fā)生斷裂破壞。為了防范材料發(fā)生斷裂失效,延長(zhǎng)其使用壽命,必須分析復(fù)合材料的開(kāi)裂機(jī)理,了解其開(kāi)裂過(guò)程,從而為設(shè)計(jì)、制造抗破壞破壞的復(fù)合材料提供依據(jù)。

材料界面是復(fù)合材料中普遍存在的,也是斷裂研究所必須面對(duì)的一個(gè)難題。目前對(duì)于斷裂參數(shù)的計(jì)算主要有直接法和間接法。直接法包括位移法和應(yīng)力法,但計(jì)算精度較低。間接法包括先求解J積分或能量釋放率然后根據(jù)其與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系,間接求解應(yīng)力強(qiáng)度因子但對(duì)于復(fù)合裂紋分離I型和II型應(yīng)力強(qiáng)度因子較困難。而ANSYS中的相互作用積分法有效的解決了這一問(wèn)題,它可以直接求解應(yīng)力強(qiáng)度因子,包括非均勻材料內(nèi)部裂紋和界面裂紋問(wèn)題。本文即使用相互作用積分法來(lái)求解雙材料界面裂紋問(wèn)題,通過(guò)計(jì)算得出ANSYS的計(jì)算可靠,這為解決復(fù)雜工程斷裂問(wèn)題提供了一種便捷途徑。

1 模型的建立

一個(gè)長(zhǎng)為2L 、寬為2W的雙材料界面上存在一個(gè)長(zhǎng)為2a的裂紋,板上、下邊界受均勻拉應(yīng)力σ 。Yuuki和Cho及Miyazaki等采用邊界元,Nagashima等采用擴(kuò)展有限元對(duì)上述模型進(jìn)行了研究。有限元計(jì)算中用到的數(shù)據(jù)如下:W=50 ;L=100 ;a/W=(0.4, 0.8) 。材料1的彈性模量 E1=2.058E5 ;材料2的彈性模量為E2,且E1/E2=1-500 ;材料1和材料2的泊松比都為0.3,σ=9.8。假設(shè)板處于平面應(yīng)力狀態(tài)。由于模型的對(duì)稱性,計(jì)算時(shí)取模型的一半進(jìn)行計(jì)算。圖給出了雙材料界面裂紋的有限元模型。

在裂紋尖端采用二維奇異單元PLANE183模擬,其有限元網(wǎng)格如圖4所示。計(jì)算時(shí)取7條積分路徑進(jìn)行計(jì)算,并取平均值。通過(guò)將得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行無(wú)量綱化。

2 結(jié)果與討論

圖給出了彈性模量比等于1的ANSYS的計(jì)算輸出結(jié)果。本文結(jié)果顯示,與文獻(xiàn),I型和II力強(qiáng)度因子的相對(duì)誤差分別小于0.23%和1.8%。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn),隨著彈性模量比值的增加,I型應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸減小,這對(duì)工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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