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界面是复合材料极为重要的微观结构,目前复合材料的结构和应用中存在许多的轴对称界面端和圆柱界面裂纹,通常是材料破坏的起点。由于界面端的应力奇异性和界面裂纹尖端的振荡应力奇异性,要建立适合结合材料的强度和可靠性的评价方法,必须首先求取表征界面问题的参数,如应力奇异性次数,应力角函数以及应力集中系数等。
本文提出了一种分析横观各向同性纤维增强复合材料轴对称界面端的奇异应力场的特征值法。主要工作和成果如下:
1.基于横观各向同性弹性材料空间轴对称问题的基本方程和一阶近似假设,利用分离变量形式的位移函数,分析了具有任意界面角和结合角的横观各向同性轴对称界面端问题,导出了关于应力奇异性指数和应力角函数的奇异性特征方程,并用无网格方法对其进行了数值离散。求解离散化的特征方程,可以得到横观各向同性双材料轴对称界面端的各阶应力奇异性指数、相应的位移角函数和应力角函数,其结果与有限元分析结果完全吻合。
2.利用有限元计算得到的奇异应力场,结合特征值法给出的应力奇异性指数和应力角函数,通过线性外插得到了相应的应力强度系数。特征值法结合有限元分析,可以完全确定横观各向同性纤维增强复合材料轴对称界面端的奇异应力行为。
3.讨论了表示纤维半径与轴对称界面端的应力奇异性支配区域大小的相对比值的尺寸参数δ对应力奇异行为的影响。结果表明当纤维半径比奇异性支配区域大小高两个数量级以上时,特征值法得到的一阶近似结果与准一阶的解析解的结果一致;而纤维半径相对奇异性支配区域的大小低于两个量级时,准一阶近似的理论结果不能准确描述奇异点附近的应力奇异行为,此时,必须要考虑尺寸效应的影响。