基于三维有限元分析新型多孔光纤破坏强化机理研究及截面参数设计

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光纤制造已经从传统光纤发展到了多孔光纤的新阶段。虽然多孔光纤的制造技术已经很成熟,但其表面或者内部不可避免的会出现一些缺陷,如涂层和纤芯的脱离等。另外,多孔光纤在应用的过程中,由于各种原因其表面会出现微裂纹。光纤在含有如上所述损伤情况下,其强度会受到很大的影响,往往发生脆性断裂。光纤断裂造成的经济损失是巨大的,本文正是以此为背景展开研究。本文基于三维有限元技术,使用ANSYS参数化设计语言对对光纤的破坏和强化机理进行了研究。ANSYS参数化设计语言(APDL)是ANSYS的高级分析技术,利用APDL的程序语言可以实现参数化建模,施加参数化载荷和求解以及参数化后处理,从而实现参数化有限元分析的全过程。在参数化分析的过程中可以简单的修改其中参数达到反复分析各种尺寸,不同载荷大小的多种设计方案或者序列性产品,极大提高分析效率,减少分析成本。由于作者要考虑多种设计尺寸多孔光纤的破坏强化机理,手动建立个别模型是不能满足分析需要的。本文应用APDL语言,实现了建模过程的程序化,自动化,对不含损伤无涂层光纤,不含损伤带涂层光纤,含纤芯涂层界面分层损伤光纤,含裂纹光纤在不同载荷和边界条件下进行了参数化处理和计算。通过三维有限元分析计算得到了以下结论:◆光纤ASC026和OD0036B在端面固支拉伸载荷的工况下,存在两个最大轴向应力区Ⅰ和Ⅱ,区域Ⅱ应得到充分重视。◆对于含涂层光纤,其在加载端和约束端的附近会出现高应力区。截面参数的有效选取,可以降低这些区域的最大应力值。◆对于纤芯涂层界面存在分层损伤的光纤,局部最大轴向应力出现在分层界面的纤芯表面上,光纤分层极有可能由此原因而产生扩展。◆含分层损伤光纤的分层尺寸对光纤的局部最大轴向应力有明显的影响,对光纤整体最大轴向应力基本没有影响。分层位置的变化对光纤局部最大轴向应力没有明显影响,对光纤整体最大轴向应力有明显影响。◆在端面固支边界条件下,含分层损伤光纤的最大轴向应力出现在分层一侧约束端附近的涂层表面上,光纤涂层极易从这个位置断裂,从而导致涂层从纤芯的的脱落。◆裂纹深度和裂纹形状是影响光纤裂纹前沿应力强度因子的两个重要因素。◆增加涂层材料的热膨胀系数,增加光纤制造时其与室温的温度差都是提高裂纹闭合应力的有效方法,能有效的延缓裂纹的扩展。
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