中间层厚度对三明治结构中I型断裂能量释放率的影响研究

发布时间：2021-12-12 07:39

　　三明治结构作为载荷传递和连接元件,广泛应用于航空航天、材料表征、柔性电子等领域.了解其断裂行为和特点能为三明治结构连接件极限载荷的设计提供理论指导.基于改良弹性地基理论模型,本文提出了一种计算能量释放率的新理论模型,模型中考虑中间层厚度对三明治结构I型断裂能量释放率的影响.结果表明,中间层厚度对三明治结构I型断裂的影响存在两个部分:中间层剪切力的影响及中间层引起结构刚度增大的影响.当无量纲中间层厚度取最大值2时,传统模型与有限元计算结果存在70%以上的误差;采用本文的模型可以极大地提高精度,将误差降到5%以内.相比改良弹性地基理论只适用于中间层厚度较小的情况,本理论模型的适用范围更广.此外,利用本模型,本文选取了两个几何参数（中间层厚度和裂纹初始长度）和一个材料参数（模量比）进行研究.讨论了剪切效应对结构几何和材料参数的敏感性.在定载荷的基础上,讨论了几何和材料参数对能量释放率的影响;并在假定结构断裂韧性不变的基础上,得到了几何和材料参数对三明治结构临界载荷的影响规律. 

【文章来源】：力学学报. 2020,52(04)北大核心EICSCD

【文章页数】：15 页

【部分图文】：

三明治结构示意图

图1 三明治结构示意图不同中间层厚度下，改良弹性地基理论模型与有限元模拟的能量释放率结果对比如图3所示.其中，红色实线代表改良弹性地基理论模型得到的结果，黑色圆点代表有限元模拟得到的结果.本文定义中间层厚度2t与非中间层厚度h的比值为无量纲中间层厚度，记作2t/h，并将其作为横坐标；将300 N载荷作用下得到的能量释放率记作G，将x<0区域非中间层等效为梁长为裂纹初始长度的悬臂梁，并把其能量释放率定义为G1.定义比值G/G1为无量纲能量释放率，将其作为纵坐标.当无量纲中间层厚度为0.1时，经计算改良弹性地基模型和有限元模拟结果的误差为9%；当无量纲中间层厚度为2时，经计算该模型结果和有限元结果的误差达到70%.基于上述分析可知，改良弹性地基模型仅适用于中间层厚度较小的情况(2t/h<0.1)，当中间层厚度较大时，该模型误差明显.因此，为更加精确地刻画中间层厚度较大的三明治结构的断裂行为,需要建立新的理论模型.

不同中间层厚度下，改良弹性地基理论模型与有限元模拟的能量释放率结果对比如图3所示.其中，红色实线代表改良弹性地基理论模型得到的结果，黑色圆点代表有限元模拟得到的结果.本文定义中间层厚度2t与非中间层厚度h的比值为无量纲中间层厚度，记作2t/h，并将其作为横坐标；将300 N载荷作用下得到的能量释放率记作G，将x<0区域非中间层等效为梁长为裂纹初始长度的悬臂梁，并把其能量释放率定义为G1.定义比值G/G1为无量纲能量释放率，将其作为纵坐标.当无量纲中间层厚度为0.1时，经计算改良弹性地基模型和有限元模拟结果的误差为9%；当无量纲中间层厚度为2时，经计算该模型结果和有限元结果的误差达到70%.基于上述分析可知，改良弹性地基模型仅适用于中间层厚度较小的情况(2t/h<0.1)，当中间层厚度较大时，该模型误差明显.因此，为更加精确地刻画中间层厚度较大的三明治结构的断裂行为,需要建立新的理论模型.1.3 新模型的建立及求解


本文编号：3536273