在热/机械循环载荷作用下纤维增强金属基复合材料多纤维断裂的应力场

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金属基复合材料在航空、航天领域里的应用非常广泛，其中纤维增强金属基复合材料(MMCf)具有更优良的性能而倍受航空、航天领域的青睐。应用这些复合材料制造的部件的使用环境往往都很恶劣，温度变化比较大并且经常是周期性的，因此研究纤维增强金属基复合材料在热/机械循环载荷作用下的力学行为有很大的现实意义。纤维增强金属基复合材料在制造加工和安装过程中很容易产生纤维断裂或裂纹等损伤，这些损伤而行成的“弱”纤维在热/机械循环载荷作用下，会在这些损伤的周围会产生局部循环热塑性区域，从而导致MMCf的破坏失效。为了这类MMC结构的安全设计和有效使用，一个非常紧迫的任务是要深刻地认识金属基复合材料的热机械疲劳(TMF)破坏特性。本文分析研究了多纤维断裂的金属基复合材料在热/机械载荷循环作用下，断裂纤维对复合材料应力场的影响。作为研究纤维增强金属基复合材料在热/机械载荷循环作用下的疲劳特性的前期工作，本文基于剪切滞后模型的理论和影响函数叠加的方法，分别讨论了金属基复合材料在剪切层、基体未发生屈服和发生屈服的两种情况的应力场：对于前一种情况，在分析单纤维断裂的基础上，通过影响函数叠加方法求解了多纤维断裂的复合材料应力场；对于后一种情况，我们假设了剪切层、基体服从理想塑性条件，将屈服区以带表面应力的虚拟裂纹替代，将问题化为线弹性问题，此时多纤维断裂的应力场可以通过基于简化模型的影响函数加权叠加方法求解。通过对纤维增强金属基复合材料在热/机械循环载荷作用下的应力场的研究，把金属基复合材料的应力场与基体循环热塑性、体积分数、纤维的统计强度以及纤维/基体界面特性定量的联系起来，对于以后进一步形成预测纤维增强金属基复合材料的热/机械疲劳寿命的理论体系打下了好的基础。对金属基复合材料的研究结果表明：(1)在外载荷作用下，随着载荷的增大剪切层总是先于基体发生屈服，且载荷越大基体和剪切层的屈服长度越长，在同样条件下，如果基体和剪切层同时发生屈服，剪切层的屈服长度总是要长于基体的屈服长度。(2)温度变化对复合材料板应力场的影响与温度变化幅值、加载方式和初始温度的大小有很大的关系。通过简化模型方法，得到了不同的热/机械循环载荷作用下多纤维断裂时纤维增强金属基复合材料的应力场精确解，得到的结论更易于复合材料的疲劳研究。

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作者
凌伟;
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作者单位

上海大学;

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授予单位上海大学;
学科固体力学
授予学位硕士
导师姓名张俊乾;
年度 2006
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类固体力学;金属复合材料;
关键词
金属基复合材料; 剪切滞后; 热机械破坏; 循环塑性区; 应力场;

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