功能梯度材料FGM.PPT

相互作用积分 - J积分 相互作用积分源于J积分。 J积分：关于裂纹尖端的一个围道积分。 弹性、均匀材料中J积分与路径无关。 相互作用积分 相互作用积分I：它是两种受力状态（实际受力场和辅助场）的相互影响部分。 辅助场选取 相互作用积分 例：颗粒增强材料裂纹问题 应力强度因子分布结果 材料的机械属性本身和一阶导数连续性对SIFs起主要作用，高阶导数的影响十分微弱。 可以高效处理含复杂内界面材料的裂纹问题，包括裂纹扩展问题。 可以直接分析裂纹与随机分布颗粒及界面的相互作用 * 具有一般属性的功能梯度材料（非均匀材料）断裂力学模型 果立成 哈尔滨工业大学航天科学与力学系 内容 功能梯度材料的应用与研究背景 一般属性功能梯度材料的断裂力学解析模型 一般属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟模型 功能梯度材料的应用与研究背景 一般属性功能梯度材料的断裂力学解析模型 一般属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟模型 一、功能梯度材料的应用与研究背景 功能梯度材料 (FGM):组份与微结构非均匀空间变化，其力学性能和功能沿某一方向成梯度变化。 FGM was proposed in around 1984: A spaceplanes outer body (about 1700 deg), Rocket engine 陶瓷/金属系 梯度功能材料 陶瓷/非金属 陶瓷/陶瓷 金属/非金属 非金属/塑料 功能梯度材料— 一种典型的非均匀材料 一种复合材料 发展 功能梯度材料（ FGM ）特点：实现材料的两侧具有不同的功能，同时克服 两种材料结合部位的性能不匹配。 FGM作为一种可设计的新型材料，被认为是在高温环境下最有应用前景的复合材料之一，而且在其它更广泛领域内的应用也显示出巨大的潜力！ 以上图片取自: Y.Miyamoto et al. (eds.). Functionally graded materials. Design, Processing and Applications. Kluwer Academic Publishers, 1999 功能梯度材料 以上图片选自 A. Kawasaki and R. Watanabe. Thermal fracture behavior of metal/ceramic functionally graded materials. Engineering Fracture Mechanics. 2002, 69: 1713-1728 PSZ/IN100-FGM PSZ/Inco 718-FGM 表面 内部横断面 热冲击载荷作用下功能梯度材料中的典型破坏模式 功能梯度材料断裂 断裂是功能梯度材料的一种主要破坏方式。 功能梯度材料的应用与研究背景 一般属性功能梯度材料的断裂力学解析模型 一般属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟模型 对于功能梯度材料的理论研究，对真实材料建立相对简化模型是必要的。多年来科研工作者对任意属性功能梯度材料建立了一系列的解析模型。其中PE模型是其中行之有效的方法之一。 任意属性功能梯度材料的断裂力学解析模型的研究 Piecewise-exponential model (PE 模型 ) 边界条件: x y b a o h FGMs with arbitrary properties c x y b a o … … … … … … Schematic of the layers in the PE Model PE 模型——分段指数模型 Schematic of the approximated material’s property in the PE Model x a b ... Crack Real property Approximated property Material’s Property ... PE model——分段指数模型 不同类型真实模量与PE模型近似模量的比较 Real properties approached by exponential functions 应力强度因子（SIFs）随材料模量的变化 the normalized SIFs are greater when the crack tip lies in the comparatively stiffer location 功能梯度材料的应用与研究背景 任意属性功能梯度材料的断裂力学解析模型 任意属性功能梯度材料的断裂力学数值模拟模型 任意属性非均匀材料裂纹问题的数值模拟方法 —— 相互作用积分方法与扩展有限元法的结合 J积分[Rice, 1968] 图1 I积分[Stern et