異質材料界面強度的數(shù)值分析與實驗研究.pdf

1、雙材料粘接結構廣泛應用于諸如車輛、航空航天以及微機電系統(tǒng)等工業(yè)領域。這類結構由于存在材料的非連續(xù)性，其強度和可靠性問題異常突出，極大地制約了其使用范圍和使用條件。一般來說，粘接界面端附近的奇異應力場是引起異質材料結構失效的主要原因之一。因此，減輕或消除界面端及其附近的應力奇異性對于提高界面結合強度，進而提高異質材料結構的安全可靠性有著重要的理論和實際意義。本文采用理論分析、數(shù)值計算并結合相應的實驗，對界面端及其附近的應力奇異性與界面強度

2、的關系進行了系統(tǒng)研究，具體內容概括如下。
　　針對勻質各向同性雙材料粘接梁結構，采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/鋁(AL)和聚碳酸酯(PC)/鋁材料組合。首先利用特征值方程分析了平面應變、平面應力界面端奇異性特征值隨傾斜角的變化。而對于一般有限尺寸的三維結構，理論分析將受到限制，則需要利用有限元分析軟件對具有不同界面特征的三維異質材料結構的應力奇異性進行分析，研究了影響雙材料三維界面端應力奇異性的幾何因素。分析了傾斜角對三維界面

3、端奇異性特征值的影響，并與二維條件下的理論值進行比較。研究發(fā)現(xiàn)，界面端點的奇異性特征值不能用二維條件下的理論值來估算;而界面端線上的值在某些情況下可以用二維條件下的理論值進行估算。同時分析了棱角大小對界面端點附近應力奇異性的影響，研究結果表明:棱角大小對界面端奇異性特征值有明顯影響，隨著棱角的增大界面端點的奇異性特征值隨之增大并收斂于平面應變條件下的理論值。研究發(fā)現(xiàn)，采用圓弧對三維雙材料結構的棱邊進行倒角，則原界面端點獨特的應力奇異性現(xiàn)

4、象消失，完全退化為界面端線附近的應力奇異性。其次，設計了一系列具有不同界面尺寸、接頭傾斜角的PMMA/AL和PC/AL材料組合粘接試樣，在純彎曲條件下進行了強度試驗。實驗結果表明:界面尺寸大小對粘接梁的界面強度無明顯影響;失效彎曲應力隨接頭傾斜角增大（應力奇異性變強）而減小。這一結果說明減小或者消除界面應力奇異性可以有效提高界面粘接強度。為進一步研究三維應力奇異性對界面強度的影響，設計了一系列有圓弧倒角的PMMA/AL和PC/AL試樣并