碳纳米管镁基复合材料基体裂纹尖端应力强度因子有限元分析

发布时间：2018-08-14 12:01

【摘要】：现代结构力学分析迅速发展起来的一种快速有效的数值计算分析方法——有限元模拟分析(FEA)法。其广泛应用于弹塑性计算、损伤破裂、动态力学、求解热传导方程、电磁场、电磁耦合场、流体力学的计算。它以常微分方程求解器为支撑软件,用有限元的基本原理和思路推导基本理论公式,并由此进行深入的研究。裂纹是材料断裂力学中的重要研究对象,在线弹性断裂力学中裂纹尖端应力强度因子1K值是判断裂纹尖端应力场强度理论之一,并且应力强度因子是衡量裂纹尖端应力场强弱的关键参量。本文第一章简要介绍了国内外CNTs/AZ91D复合材料的研究背景和研究现状以及应用前景。在此研究的基础上,第二章利用有限元软件建立了基体中含有裂纹的不同长径比CNTs/AZ91D复合材料的有限元模型。研究了基体中裂纹长度、碳纳米管长径比、增强体弹性模量、基体弹性模量对镁基体裂纹尖端应力强度因子的影响。探讨了CNTs/AZ91D复合材料的强化机理和断裂模式。模拟结果表明:镁基体中三维裂纹尖端应力强度因子随着裂纹长度的增长呈现变大趋势,而当裂纹贯穿基体扩展至增强体与基体的接触面处时,应力强度因子急剧下降,这与双边材料的裂纹变化趋势类似。在裂纹尖端应力场出现应力奇异性。裂纹尖端应力强度因子随着增强体的弹性模量增大而减小,随着基体的弹性模量的增大而增大等一系列规律。之后第三章进一步建立了Ni-CNTs/AZ91D复合材料的三维有限元模型,研究了Ni-CNTs/AZ91D复合材料中的界面层厚度、界面层弹性模量、增强体长径比等对裂纹尖端应力强度因子的影响。研究结果表明:Ni-CNTs/AZ91D复合材料基体中裂纹尖端应力强度因子比CNTs/AZ91D复合材料基体裂纹尖端应力强度因子变大,而当裂纹扩展至增强体与基体接触面附近时,Ni-CNTs/AZ91D复合材料裂纹尖端应力强度因子比CNTs/AZ91D复合材料的裂纹尖端应力强度因子下降程度剧烈。并且裂纹尖端的应力强度因子随着界面层厚度的增大而增大,而随着弹性模量的增加裂纹尖端应力强度因子呈减小的趋势。当裂纹长度较小时,增强体长径比(A30)对裂纹尖端应力强度因子影响不大。当裂纹长度较大时,增强体长径比(A30)时,裂纹尖端的应力随着裂纹长度的增长而出现减小趋势。第四章对CNTs/AZ91D复合材料进行了总结和展望。
[Abstract]:A fast and effective numerical analysis method, finite element simulation analysis (FEA) method, has been developed in modern structural mechanics analysis. It is widely used in elastic-plastic calculation, damage rupture, dynamic mechanics, solving heat conduction equation, electromagnetic field, electromagnetic coupling field, hydrodynamics calculation. Based on the software of ordinary differential equation solver, this paper deduces the basic theoretical formula by using the basic principle and train of thought of finite element, and carries on the thorough research accordingly. Crack is an important research object in fracture mechanics of materials. In on-line elastic fracture mechanics, the stress intensity factor (1K) of crack tip is one of the theories to judge the stress field strength at crack tip. And the stress intensity factor is the key parameter to measure the stress field at the crack tip. In the first chapter, the research background, research status and application prospect of CNTs/AZ91D composites at home and abroad are briefly introduced. On the basis of this research, the finite element model of CNTs/AZ91D composites with different aspect ratios with cracks in matrix is established by using finite element software in the second chapter. The effects of crack length, aspect ratio of carbon nanotubes, elastic modulus of reinforcement and elastic modulus of matrix on stress intensity factor at crack tip of magnesium matrix were studied. The strengthening mechanism and fracture mode of CNTs/AZ91D composites were discussed. The simulation results show that the stress intensity factor of three dimensional crack tip in magnesium matrix tends to increase with the increase of crack length, but the stress intensity factor decreases sharply when the crack runs through the interface between the matrix and the matrix. This is similar to the crack variation trend of the two-sided materials. Stress singularity occurs in the stress field at the crack tip. The stress intensity factor at the crack tip decreases with the increase of the elastic modulus of the reinforcements and increases with the increase of the elastic modulus of the matrix. In the third chapter, the three-dimensional finite element model of Ni-CNTs/AZ91D composites is established, and the effects of interfacial layer thickness, elastic modulus of interfacial layer and ratio of length to diameter on the stress intensity factor at crack tip are studied. The results show that the stress intensity factor at the crack tip in the matrix of the CNTs/AZ91D composite is larger than that in the matrix of the Ni-CNTs / AZ91D composite. The crack tip stress intensity factor of Ni-CNTs / AZ91D composites decreases more sharply than that of CNTs/AZ91D composites when the crack extends near the interface between reinforcement and matrix. The stress intensity factor at the crack tip increases with the thickness of the interface layer and decreases with the increase of the elastic modulus. When the crack length is small, the ratio of reinforcement length to diameter (A30) has little effect on the stress intensity factor at crack tip. When the crack length is large, the stress at the crack tip decreases with the increase of crack length when the ratio of reinforcement length to diameter is A30. In chapter 4, the CNTs/AZ91D composites are summarized and prospected.
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O346.1;TB33

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本文编号：2182796