雙材料界面裂紋的ANSYS分析

2013-07-17 by:廣州Ansys中心來源:仿真在線

雙材料界面裂紋的ANSYS分析

隨著各種材料和結構斷裂事故的不斷出現,材料在服役過程中表現出來的斷裂失效原因逐漸引起了人們的關注。近年的研究表明,發達國家,如美、口、歐盟等在各種結構的斷裂破壞事故上的花費約占國民生產總值的6%。復合材料的內部結構形式復雜,生產工序多,造成了復合材料內部通常會存在大量不同形式的缺陷。復合材料的服役環境一般都很惡劣,材料內部缺陷極易引發微裂紋,從而導致復合材料發生斷裂破壞。為了防范材料發生斷裂失效,延長其使用壽命,必須分析復合材料的開裂機理,了解其開裂過程,從而為設計、制造抗破壞破壞的復合材料提供依據。

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

1 模型的建立

一個長為2L 、寬為2W的雙材料界面上存在一個長為2a的裂紋,板上、下邊界受均勻拉應力σ 。Yuuki和Cho及Miyazaki等采用邊界元,Nagashima等采用擴展有限元對上述模型進行了研究。有限元計算中用到的數據如下: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。假設板處于平面應力狀態。由于模型的對稱性,計算時取模型的一半進行計算。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,其有限元網格如圖4所示。計算時取7條積分路徑進行計算,并取平均值。通過將得到的應力強度因子進行無量綱化。

2 結果與討論

圖給出了彈性模量比等于1的ANSYS的計算輸出結果。本文結果顯示,與文獻,I型和II力強度因子的相對誤差分別小于0.23%和1.8%。進一步觀察可以發現,隨著彈性模量比值的增加,I型應力強度因子逐漸減小,這對工程設計具有一定的指導意義。

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