黏弹性功能梯度材料裂纹问题的有限元方法

针对组分材料体积含量任意分布的黏弹性功能梯度材料裂纹问题建立有限元分析途径. 通过Laplace变换,将黏弹性问题转化到象空间中求解,基于反映材料非均匀的梯度单元和裂纹尖端奇异特性的奇异单元计算象空间中的位移、应力和应变场,应用虚拟裂纹闭合方法得到应变能释放率,分别由应力和应变能释放率确定应力强度因子. 给出这些断裂参量在物理空间和象空间之间的对应关系,由数值逆变换求出其在物理空间的相应值. 文中分析两端均匀受拉的黏弹性边裂纹板条,首先针对松弛模量表示为空间函数和时间函数乘积的特殊梯度材料进行计算,结合对应原理验证方法的有效性. 然后分析组分材料体积含量具有任意梯度分布的情形,由Mori-Tanaka方法预测象空间中的等效松弛模量. 计算结果表明,蠕变加载条件下,应变能释放率随时间增加,其增大程度与黏弹性组分材料体积含量相关. 由于梯度材料的非均匀黏弹性性质,产生应力重新分布,导致应力强度因子随时间变化,其变化范围与组分材料的体积含量分布方式有关.     

功能梯度板条断裂分析

现存文献关于功能梯度材料断裂问题的研究大都假设材料性质为坐标的指数函数或幂函数,而对其它函数形式较少采用。本文假设功能梯度材料剪切模量为坐标的双曲函数,而泊松比为常量,研究功能梯度板条的混合型裂纹问题。利用Fourier积分变换技术将混合边值问题转化为一对奇异积分方程,通过数值求解奇异积分方程获得含裂纹功能梯度板条分别在剪切和法向载荷作用下的I型和Ⅱ型应力强度因子,并讨论了材料的非均匀性和裂纹相对尺寸对裂纹尖端应力强度因子的影响。     

非均匀复合材料的动态热弹性断裂力学分析

对非均匀复合材料的动态热弹性断裂力学问题进行了研究,假设材料参数沿厚度方向为变化的,沿该方向将复合材料划分为许多单层,取每一单层材料参数为常数,应用Fourier变换法,在Laplace域内推导出了控制问题的奇异积分方程组,给出了热应力强度因子的表达式,然后利用Laplace数值反演,得出了裂纹尖端的动态应力强度因子．本文的方法具有以下特点：（1）多个垂直于厚度方向的裂纹,（2）材料可以为正交各向异性：（3）考虑了惯性效应．作为算例,研究了带有两个裂纹的功能梯度结构,分析了材料参数的变化对应力强度因子的影响．     

黏弹性界面断裂分析的增量“加料”有限元法

提出了一种适用于黏弹性界面裂纹问题的增量“加料” 有限元方法. 利用弹性界面裂纹尖端位移场的解答,通过对应原理和拉普拉斯逆变换近似方法,得到了黏弹性界面裂纹的尖端位移场. 用该位移场构造了黏弹性界面裂纹“加料” 单元和过渡单元位移模式,推导了增量“加料” 有限元方程,求解有限元方程可获得应力强度因子和应变能释放率等断裂参量. 建立了典型黏弹性界面裂纹平面问题“加料” 有限元模型,计算结果表明,对于弹性/黏弹性界面裂纹和黏弹性/黏弹性界面裂纹,该方法都能得到相当精确地断裂参量,并能很好地反映蠕变和松弛特性,可推广应用于黏弹性界面断裂问题的计算分析.      

功能梯度压电压磁材料粘结的Ⅲ型裂纹问题

利用奇异积分方程方法研究两个半无限大的功能梯度压电压磁材料粘结,在渗透和非 渗透边界条件下的III型裂纹问题. 首先通过积分变换构造出原问题的形式解，然 后利用边界条件通过积分变换与留数定理得到一组奇异积分方程， 最后利用Gauss-Chebyshev方法进行数值 求解，讨论材料参数、材料非均匀参数以及裂纹几何形状等对裂纹尖端应力 强度因子的影响. 从结果中可以看出，压电压磁复合材料中反平面问题的应力奇异性 形式与一般弹性材料中的反平面问题应力奇异形式相同，但材料梯度参数对功能梯度压电压 磁复合材料中的应力强度因子和电位移强度因子有很大的影响.     

平板裂纹前缘三维效应区的弹性力学分析

本文利用Kane和Mindlin关于弹性乎板面内问题位移的基本假设及Fourier变换求解了无限大板的I型裂纹问题,得到了裂纹尖端应力位移场的渐近形式、应力强度因子随板厚的变化规律以及板厚对裂纹前缘三维效应区的影响.研究表明,对线性硬化材料,在塑性切线胰量不太小的情况下,线弹性分析的结果可近似适用于弹塑性材料.     

功能梯度压电板条中电绝缘型运动裂纹的电弹性场

基于三维弹性理论和压电理论，对材料系数按指数函数规律分布的功能梯度压电板条中的反平面运动裂纹问题进行了求解。利用Fourier积分变换方法将电绝缘型运动裂纹问题化为对偶积分方程，并进一步归结为易于求解的第二类Fredholm积分方程。通过渐近分析，获得了裂纹尖端应力、应变、电位移和电场的解析解，给出了裂纹尖端场各个变量的角分布函数，并求得了裂纹尖端场的强度因子，分析了压电材料物性梯度参数、几何尺寸及裂纹运动速度对它们的影响。结果表明，对于电绝缘型裂纹，功能梯度压电板条中运动裂纹尖端附近的各个场变量都具有-1／2阶的奇异性；当裂纹运动速度增大时，裂纹扩展的方向会偏离裂纹面。     

功能梯度板条Ⅲ型运动裂纹问题研究

现存文献关于梯度材料断裂问题的研究大都是假设材料参数为坐标的指数函数或幂函数,而其它函数形式较少采用.本文假设功能梯度材料剪切模量和密度的倒数均为坐标的线性函数,而泊松比为常量,研究功能梯度板条的反平面运动裂纹问题.利用Fourier积分变换技术和传递矩阵法将混合边值问题化为一对奇异积分方程,通过数值求解奇异积分方程获得板条运动裂纹在反平面载荷作用下的动态应力强度因子,并讨论了裂纹运动速度、裂纹相对尺寸、以及材料非均匀性对动态应力强度因子的影响,结果证明梯度参数、裂纹速度和几何尺寸对材料动态断裂行为有显著影响.     

功能梯度夹层多个环形界面裂纹扭转冲击

研究位于功能梯度层和外部均匀材料之间多个环形界面裂纹的扭转冲击问题,功能梯度材料 (FGM)粘结在两种不同的弹性材料之间,功能梯度层和外部材料之间环形界面裂纹的数目是任意的．引进积分变换和位错密度函数将问题化为求解Laplace域里标准的Cauchy奇异积分方程,进而化为求解代数方程;应用Laplace数值反演技术,计算时域里的动应力强度因子(DSIF)．考查了结构几何尺度和材料特性对裂尖动态断裂特性的影响．数值结果表明,DSIF存在一个主峰,到达主峰后,在其相应的静态值附近波动并最终趋于稳定;增加FGM的梯度能减小DSIF的峰值．     

应力强度因子K_Ⅰ的光弹性测定法

断裂力学研究有裂纹构件的强度。因此,必须研究裂纹尖端附近的应力场。对于线弹性材料,裂纹尖端附近的应力场主要由应力强度因子所控制。当应力强度因子K_I到达临界值——材料的断裂韧度K_(Ic)时,裂纹就迅速扩展,构件发生脆性破坏。所以,应力强度因子是线弹性断裂力学中的一个主要参数,确定任意构件的应力强度因子也就成为断     

Anti-plane shear of an arbitrary oriented crack in a functionally graded strip bonded with two dissimilar half-planes

An internal crack located within a functionally graded material (FGM) strip bonded with two dissimilar half-planes and under an anti-plane load is considered. The crack is oriented in an arbitrary direction. The material properties of strip are assumed to vary exponentially in the thickness direction and two half-planes are assumed to be isotropic. Governing differential equations are derived and to reduce the difficulty of the problem dealing with solution of a system of singular integral equations Fourier integral transform is employed. Semi closed form solution for the stress distribution in the medium is obtained and mode III stress intensity factor (SIF), at the crack tip is calculated and its validity was verified. Finally, the effects of nonhomogeneous material parameter and crack orientation on the stress intensity factor are studied.     

Impact failure prediction of Mode III crack in orthotropic functionally graded strip

Mode III impact of a crack in an orthotropic functionally graded strip is investigated. The shear moduli in two directions of the material are assumed to vary proportionately with gradient. Laplace transform and Fourier cosine transform are used to reduce the problem to solving a Fredholm integral equation. The crack tip stress field is obtained by considering the asymptotic behavior of Bessel function. Energy density factor criterion is applied to obtain the maximum of minimum energy density and direction of crack initiation. Numerical results are given graphically. The effects of orthotropy, nonhomogeneity and height of the strip on the energy density factor are discussed.     

功能梯度压电带中裂纹对SH波的散射

研究功能梯度压电带中裂纹对SH波的散射问题,为了便于分析,材料性质假定为指数模型,并假设裂纹面上的边界条件为电渗透型的.根据压电理论得到压电体的状态方程,利用Fourier积分变换,问题转化为对偶积分方程的求解.用Copson方法求解积分方程.求得了裂纹尖端动应力强度因子、电位移强度因子的解析表达式,最后数值结果显示了标准动应力强度因子与入射波数、材料参数、带宽、波数以及入射角之间的关系.     

Anti-plane stress intensity, energy release and energy density at crack tips in a functionally graded strip with linearly varying properties

The fracture problem of a crack in a functionally graded strip with its properties varying in a linear form along the strip thickness under an anti-plane load is considered. The embedded anti-plane crack is located in the middle of strip half way through the thickness. The third mode stress intensity factor is derived using two different methods. In the first method, by employing Fourier integral transforms, the governing equation is converted to a singular integral equation, which is subsequently solved numerically by the collocation method based on Chebyshev polynomials. Then, the problem is solved by means of finite element method in which quadrilateral 8-node singular elements around each crack tip are used. After inspecting the validity of the solution technique, effects of crack geometry and non-homogeneous material parameter on the stress intensity, energy release and energy density are studied and the results of analytical and FEM solutions are compared.     

DYNAMIC BEHAVIOR OF SEVERAL CRACKS IN FUNCTIONALLY GRADED STRIP SUBJECTED TO ANTI-PLANE TIME-HARMONIC CONCENTRATED LOADS

This paper contains a theoretical formulations and solutions of multiple cracks sub- jected to an anti-plane time-harmonic point load in a functionally graded strip. The distributed dislocation technique is used to construct integral equations for a functionally graded material strip weakened by several cracks under anti-plane time-harmonic load. These equations are of Cauchy singular type at the location of dislocation, which are solved numerically to obtain the dislocation density on the faces of the cracks. The dislocation densities are employed to evaluate the stress intensity factor and strain energy density factors （SEDFs） for multiple cracks with differ- ent configurations. Numerical calculations are presented to show the effects of material properties and the crack configuration on the dynamic stress intensity factors and SEDFs of the functionally graded strip with multiple curved cracks.     

SiC/Al梯度功能材料紧凑拉伸试件裂纹扩展分析

SiC/Al梯度功能材料各梯度层由不同体积浓度的陶瓷和金属组成,由于材料组分梯度变化,克服了双材料界面的应力突变问题,获得了优异的使用性能.本文首先采用激光云纹干涉法,对具有四个梯度层的SiC/Al梯度功能材料紧凑拉伸试件在机械荷载作用下的拉伸实验位移场进行记录,进而获得紧凑拉伸试件裂纹口位移P-V曲线以及材料断裂韧度实验值;然后根据层合梯度功能材料理论分析模型,建立FGM紧凑拉伸试件的渐近分网有限元平面应变模型,采用通用有限元软件的单元删除模块对试件模型进行裂纹扩展单元的应变模拟分析,从计算所得的裂纹尖端应变图像分析得出梯度材料试件的裂纹扩展规律.     

正交各向异性功能梯度材料反平面裂纹尖端应力场

采用积分变换-对偶积分方程方法,研究了正交各向异性功能梯度材料反平面裂纹问题,文中假定材料沿两个主轴方向的剪切模量成比例按双参数梯度模型变化,通过求解对偶积分程并考虑变形Bessel函数的渐特性,推导出了裂纹尖端应力场,最后考察了材料非均匀性及正交性对应力强度因子的影响。     

Torsional impact of transversely isotropic solid with functionally graded shear moduli and a penny-shaped crack

The torsional impact response of a penny-shaped crack in an unbounded transversely isotropic solid is considered. The shear moduli are assumed to be functionally graded such that the mathematics is tractable. Laplace transform and Hankel transform are used to reduce the problem to solving a Fredholm integral equation. The crack tip stress fields are obtained. Investigated are the influence of material nonhomogeneity and orthotropy on the dynamic stress intensity factor. The peak value of the dynamic stress intensity factor can be suppressed by increasing the shear moduli's gradient and/or increasing the shear modulus in a direction perpendicular to the crack surface.