异质材料粘接界面强度——三维应力奇异性影响

通过实验并结合有限元分析研究了三维应力奇异性对异质材料粘接接头界面强度的影响.有限元分析结果表明:如果对三维双材料结构的棱边进行圆弧倒角,使相应的界面端线变成光滑连续曲线,则原界面端点附近的三维应力奇异性会退化为界面端线附近的二维应力奇异性,进而降低应力奇异性程度.设计了一系列有圆弧倒角与无圆弧倒角的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/铝(AL)和聚碳酸酯(PC)/铝(AL)双材料试样并进行了四点弯曲实验.实验结果表明:界面尺寸对试样失效载荷无明显影响;与未圆弧倒角的试样相比,有圆弧倒角试样的失效载荷明显得到提高.这一结果证明三维应力奇异性对粘接界面强度有明显影响.     

含裂纹粘接结构的边界元应力分析

本文采用子域法和直接应力奇异单元法求解二维粘接结构中的裂纹问题。子域法把粘接结构划分为三个子域,根据每个子域的边界积分方程和子域间的界面条件,可以建立粘接结构的边界积分方程组。直接应力奇异单元能够在整个单元长度上反映裂纹端部的1/r~(1/2)奇异性,在计算时可以通过坐标变换消除奇异单元积分中的奇异性,直接计算出应力强度因子。含裂纹多层结构的数值示例和粘接补强单边裂纹板的应力测试和疲劳试验结果证实了本文方法的有效性。     

粘接剂对钛合金异质自冲铆接头力学性能的影响

为了研究粘接剂对自冲铆接头性能的影响,分别以TA1-5052和TA1-Q215的单搭自冲铆接头及粘接-自冲铆复合接头为研究对象,采用剖面直观检测法分析接头成形质量,基于静力学试验研究各组接头的静力学性能及失效形式。结果表明:与自冲铆接头相比,复合接头的钉脚张开度和残余底厚值减小;粘接剂对TA1-5052单搭自冲铆接头失效形式无影响,但改变了TA1-Q215单搭自冲铆接头的失效形式;复合接头的静力学性能比自冲铆接头更优;相对于自冲铆接头,TA1-5052复合接头静失效载荷增加了17.5%,能量吸收值增加了13.3%;TA1-Q215复合接头静失效载荷增加了6.8%,能量吸收值增加了25.8%。     

考虑尺寸效应的双材料轴对称界面端应力奇异性

提出了一种分析双材料轴对称界面端的应力奇异行为的特征值法.基于弹性力学空间轴对称问题的基本方程和一阶近似假设,利用分离变量形式的位移函数和无网格算法,导出了关于应力奇异性指数的离散形式的奇异性特征方程.由奇异性特征方程的特征值和特征向量,即可确定应力奇异性指数、位移角函数和应力角函数.数值求解了纤维/基体轴对称界面端模型的奇异性特征方程, 结果表明:尺寸效应参数δ(奇异点与轴对称轴的距离和应力奇异性支配区域大小的比值)影响着应力奇异性的强弱与阶次, 准一阶近似解析解只是δ>>1时的一个特例.      

单材料V型缺口尖端振荡性奇异应力场产生的条件

单材料V型缺口附近应力场存在奇异性,Williams在1952年针对不同边界条件下所产生的奇异性进行了讨论,结论表明,边界条件和材料的泊松比对奇异 均有影响,本文对Williams所提出的第三种边界条件（一边自由,一边固支）研究后发现,缺口尖端附近应力不仅存在幂次奇异,而且还会出现振荡性,振荡指数大小依赖于缺口角度和泊松比。     

界面裂纹尖端的动态奇异特性

本文研究了界面裂纹尖端的动态应力场的奇异特性.引入尖端无摩擦接触的界面裂纹模型并采用具有运动边界的控制积分方程.证明了在动态界面裂纹尖端仅存在平方根奇异的应力场.数值结果表明接触区中的正应力确保持为压应力.为表现界面裂纹的动态特性,给出了应力强度因子和裂纹面接触区尺寸的数值结果.     

有限宽的粘接SANDWICH型正交各向异性板条具有界面裂纹或断裂的中间板条

本文研究了有限宽、粘接的对称SANDW(?)CH型正交各向异性板条的静裂纹问题.在中间板条有内部裂纹和完全断裂的两种情形,解法和应力奇异性分析的过程都和板条为各向同性时相似;但在界面裂纹时,却归结为解一组与各向同性粘接板条不同的二类柯西型奇异积分方程.此时,各向同性粘接板条界面裂纹的应力强度因子的定义已不再适用.本文提出一种广义的应力强度因子定义,并给出上述三种裂纹问题的算例,计算裂纹长度、板条宽度或弹性常数对应力强度因子的影响.     

纤维端部的界面裂纹分析

基于弹性力学空间轴对称问题的通解,研究了短纤维增强复合材料中纤维端部的轴对称币形和柱形界面裂纹尖端的应力奇异性,得到了裂纹尖端附近的奇异应力场．研究结果表明,这两种轴对称界面裂纹尖端的应力奇异性相同,并且与平面应变状态下相应模型的应力奇异性一致,材料性能对裂纹尖端附近奇异应力场的影响可用三个组合参数描述     

多重应力奇异性及其强度系数的数值分析方法

以具有两个应力奇异性次数的平面问题为例,提出了一种利用普通的数值分析结果确定奇异点附近多重应力奇异性的各阶次数以及相应的应力强度系数的数值分析方法,计算实例表明,本方法可以精确地求得各阶应力奇异性的次数,并且可以很方便地应用外插法确定出对应的应力强度系数。     

接合残余应力在界面端的应力奇异性

接合残余应力对异种接合材料强度的影响很大，正确地分析接合残余应力在界面端附近的分布及其奇异特性，是研究异材强度评价方法的关键问题之一，本文利用弹性学中的Ｇｏｕｒｓａｔ公式和有关微分方程解的理论，求得了平面近似下的界面端附近的残余应力场及其应力奇异性，与单纯的外力作用时的情况不同，残余应力在界面端有可能出现对数型的应力奇异性，并且不能仅用Ｄｕｎｄｅｒｓ的异材参数来描述。     

基于奇异强度因子的V型切口应力场和N-SIF评估方法

根据线弹性断裂力学理论，V形切口处的应力场具有奇异性，应力值趋于无穷大，峰值应力不能直接用于评定疲劳强度。通过引入了奇异强度因子“as”，单边缺口应力分布和缺口应力强度因子(N-SIF)的半解析公式被推导。考虑张开角和几何尺寸等因素，基于奇异强度因子拟合得到了切口应力评估的简易公式，可用于切口应力场和N-SIF值的快速评估。将简易公式评估结果与有限元结果以及传统文献结果进行对比分析，结果表明，本文简易公式可以准确地预报拉伸载荷下单边V型切口角平分线上的应力场和N-SIF值，实现了切口试样应力场的快速评估。     

影响双材料界面端三维应力奇异性的几何因素研究

应用常规有限单元分析技术,对几种典型接头形式的三维双材料结构界面端点附近应力奇异性进行了研究,重点分析了棱角(两自由平面的夹角)大小对界面端点附近应力奇异性指数的影响。数值分析结果表明:棱角大小对界面端应力奇异性指数有明显影响,棱角越大,奇异性指数越小;当棱角趋于180°时,端点附近的应力奇异性指数收敛于界面端线上的值(等于平面应变条件下的理论值)。研究发现,如果采用圆弧对三维双材料结构的棱边进行倒角,使相应的界面端线变成光滑连续曲线,则原界面端点附近的应力奇异性会完全退化为界面端线附近的应力奇异性,即界面端点独特的应力奇异性现象消失。     

纤维与基体的轴对称界面端附近的奇异应力场

基于各向性弹性力学空间轴对称问题的基本方程,研究了纤维与基体的轴对称界面端的应力奇异性,并给出了界最佳 近的奇异应力场。研究结果表明,该轴对称界面端的应力奇异性与平面应变状态下相应模型的应力奇异性完全相同,材料对界面端附近奇异应力场的影响可用丰个双材料组合参数描述。     

单搭拉剪胶焊接头的应力和刚度分析

胶焊复合连接技术兼具胶接和点焊的优点,它因提高结构强度和刚度而使车辆轻量化成为可能.以胶接理论为基础,考虑了被粘体剪切应变,将焊点视为大剪切弹性模量胶粘剂,胶层和焊点沿其厚度方向的剪应力不变,建立了胶焊单搭拉剪接头的线弹性应力解析模型.在应力模型基础上,将接头各组成部分看作是独立承载的拉伸和剪切弹簧单元,得到了其刚度解析模型.应力模型中的正应力和剪应力与有限元解吻合得较好,证明理论模型正确,参数研究中确定了影响胶焊单搭接头应力分布特征的关键耦合参数.     

基于界面端奇异性理论的单纤维拔出试验的试件设计

在单纤维拔出试验中，由于试件的界面端存在应力奇异性，这使试验所得到的界面剪切强度数据失去合理性[1]。但从文献[1]关于微珠脱粘试验研究的结论中可以发现当基体的楔形角小于某临界角度后，微珠试件界面端应力奇异性几乎消失。由此启发我们设计出一种楔形角小于该纤维／基体系统临界角的锥面的拔出试件，这样即可以防止出现传统拔出试件在界面端的强应力奇异性，又可以避免微珠脱粘试验自身的缺陷。界面端具有任意楔形角的轴对称模型被用于分析和确定纤维／基体系统的临界角，对方程进行渐近展开和分离变量处理，根据边界条件可以得到关于特征值λ的特征方程，针对确定的纤维／基体系统可以得到特征值和楔形角的关系曲线，我们把应力奇异性指数等于-0．005时所对应的楔形角定义为临界角，以及根据临界角设计锥面拔出试件的方法。     

动态裂纹尖端弹粘塑性场的研究

本文利用弹一粘一塑性材料力学模型,对动态扩展裂纹尖端的指数奇异性和对数奇异性进行了渐近分析。文中假定,弹性阶段的粘性效应可以略去,仅在塑性应变中粘性才起作用,对于这种模型,推导出了其率敏感型的本构关系。以Ⅱ型裂纹为例,进一步推导了两种奇异性下裂纹尖端场的渐近微分控制方程,并进行了数值仿真分析。同时讨论了粘性系数α、马赫数M^2对裂纹尖端应力应变场的影响,即,弹粘塑性材料扩展裂纹的奇异性取决于其粘性系数和马赫数,粘性系数较大时,裂纹尖端场具有对数奇异性;粘性系数较小时,裂纹尖端场具有指数奇异性。修正了文献中对数奇异性区域的大小;解释了文献中过渡区的成因;给出了过渡区尖端应力场解的形式,从而建立了裂纹尖端场的统一解。     

受热载荷两相材料界面端应力场的新型有限元分析

基于一种特殊有限元特征分析方法获得两相材料界面端奇异性应力和位移场数值特征解, 据此开发了一种新型超级单元模型, 用于分析热载荷作用下两相材料界面端的应力场. 与机械载荷作用下超级单元模型的区别在于, 该模型在能量泛函中考虑了热-机耦合的影响, 将应力场分为奇异项和非奇异项, 而奇异性项又可分解为热致部分和力致部分. 模型的有效性通过了经验解和传统有限元方法的验证;模型可以避免在界面端邻域网格高度加密, 提高了计算速度, 对于分析多奇异性点应力干涉问题有重要意义.     

一种确定结合材料界面端应力强度因子的数值方法

基于弹性力平面问题的基本方程，给出了结合材料界面端的应力奇异性特征方程以及位移场和奇异应力场。提出了一种确定结合材料界面端应力强度因子的数值外插方法。对界面端区域进行了有限元网格单元划分。经过具体实例检验进一步确定了求解应力强度因子的最佳方向，该数值外插法的计算结果精度符合工程应用的要求，为工程材料强度的评价提供了有效的计算途径。     

振荡应力奇异性及其强度系数的数值分析方法

本文以具有振荡应力奇异性的平面问题为例,提出了一种利用普通的数值分析结果（由有限地或边界元程序计算得到的应力分量或位移分量）,来确定奇异性次数以及相应的复应力强度系数的数值分析方法。为了验证该方法的有效性,应用平面应变情况下的边界元计算结果,对界面端模型进行了分析。计算结果表明,本方法可以精确地求得振动应力奇异性次数,并且与奇异性对应的复应力强度系数也可以很方便地应用外插法得到。     

基于弱粘接结构中谐振频率的研究

利用弹簧模型方法研究了铝-粘接剂-铝结构中波的反射和透射系数。首先利用粘接层界面的一次反射导出切向和法向刚度比表达式;其次,推导了粘接层界面存在多次反射和透射时刚度比、谐振频率及反射系数之间的关系,得到了弱粘接结构的反射系数随着不同刚度比的变化规律;最后求解了弱粘接层厚度的变化对谐振频率的影响。理论分析和数值计算的结果表明：反射系数取极大值时粘接层厚度与谐振频率的积成奇数倍的关系,反射系数极小值时粘接层厚度与谐振频率的积成整数倍的关系;随着刚度比的增加,谐振频率向高频方向漂移,随刚度比的减小,反射系数逐渐的趋近与1。