双材料界面裂纹的ANSYS分析

2013-07-17 by:广州Ansys中心来源:仿真在线

双材料界面裂纹的ANSYS分析

随着各种材料和结构断裂事故的不断出现,材料在服役过程中表现出来的断裂失效原因逐渐引起了人们的关注。近年的研究表明,发达国家,如美、口、欧盟等在各种结构的断裂破坏事故上的花费约占国民生产总值的6%。复合材料的内部结构形式复杂,生产工序多,造成了复合材料内部通常会存在大量不同形式的缺陷。复合材料的服役环境一般都很恶劣,材料内部缺陷极易引发微裂纹,从而导致复合材料发生断裂破坏。为了防范材料发生断裂失效,延长其使用寿命,必须分析复合材料的开裂机理,了解其开裂过程,从而为设计、制造抗破坏破坏的复合材料提供依据。

材料界面是复合材料中普遍存在的,也是断裂研究所必须面对的一个难题。目前对于断裂参数的计算主要有直接法和间接法。直接法包括位移法和应力法,但计算精度较低。间接法包括先求解J积分或能量释放率然后根据其与应力强度因子的关系,间接求解应力强度因子但对于复合裂纹分离I型和II型应力强度因子较困难。而ANSYS中的相互作用积分法有效的解决了这一问题,它可以直接求解应力强度因子,包括非均匀材料内部裂纹和界面裂纹问题。本文即使用相互作用积分法来求解双材料界面裂纹问题,通过计算得出ANSYS的计算可靠,这为解决复杂工程断裂问题提供了一种便捷途径。

1 模型的建立

一个长为2L 、宽为2W的双材料界面上存在一个长为2a的裂纹,板上、下边界受均匀拉应力σ 。Yuuki和Cho及Miyazaki等采用边界元,Nagashima等采用扩展有限元对上述模型进行了研究。有限元计算中用到的数据如下:W=50 ;L=100 ;a/W=(0.4, 0.8) 。材料1的弹性模量 E1=2.058E5 ;材料2的弹性模量为E2,且E1/E2=1-500 ;材料1和材料2的泊松比都为0.3,σ=9.8。假设板处于平面应力状态。由于模型的对称性,计算时取模型的一半进行计算。图给出了双材料界面裂纹的有限元模型。

在裂纹尖端采用二维奇异单元PLANE183模拟,其有限元网格如图4所示。计算时取7条积分路径进行计算,并取平均值。通过将得到的应力强度因子进行无量纲化。

2 结果与讨论

图给出了弹性模量比等于1的ANSYS的计算输出结果。本文结果显示,与文献,I型和II力强度因子的相对误差分别小于0.23%和1.8%。进一步观察可以发现,随着弹性模量比值的增加,I型应力强度因子逐渐减小,这对工程设计具有一定的指导意义。

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