【摘要】：現代結構力學分析迅速發(fā)展起來的一種快速有效的數值計算分析方法——有限元模擬分析(FEA)法。其廣泛應用于彈塑性計算、損傷破裂、動態(tài)力學、求解熱傳導方程、電磁場、電磁耦合場、流體力學的計算。它以常微分方程求解器為支撐軟件,用有限元的基本原理和思路推導基本理論公式,并由此進行深入的研究。裂紋是材料斷裂力學中的重要研究對象,在線彈性斷裂力學中裂紋尖端應力強度因子1K值是判斷裂紋尖端應力場強度理論之一,并且應力強度因子是衡量裂紋尖端應力場強弱的關鍵參量。本文第一章簡要介紹了國內外CNTs/AZ91D復合材料的研究背景和研究現狀以及應用前景。在此研究的基礎上,第二章利用有限元軟件建立了基體中含有裂紋的不同長徑比CNTs/AZ91D復合材料的有限元模型。研究了基體中裂紋長度、碳納米管長徑比、增強體彈性模量、基體彈性模量對鎂基體裂紋尖端應力強度因子的影響。探討了CNTs/AZ91D復合材料的強化機理和斷裂模式。模擬結果表明:鎂基體中三維裂紋尖端應力強度因子隨著裂紋長度的增長呈現變大趨勢,而當裂紋貫穿基體擴展至增強體與基體的接觸面處時,應力強度因子急劇下降,這與雙邊材料的裂紋變化趨勢類似。在裂紋尖端應力場出現應力奇異性。裂紋尖端應力強度因子隨著增強體的彈性模量增大而減小,隨著基體的彈性模量的增大而增大等一系列規(guī)律。之后第三章進一步建立了Ni-CNTs/AZ91D復合材料的三維有限元模型,研究了Ni-CNTs/AZ91D復合材料中的界面層厚度、界面層彈性模量、增強體長徑比等對裂紋尖端應力強度因子的影響。研究結果表明:Ni-CNTs/AZ91D復合材料基體中裂紋尖端應力強度因子比CNTs/AZ91D復合材料基體裂紋尖端應力強度因子變大,而當裂紋擴展至增強體與基體接觸面附近時,Ni-CNTs/AZ91D復合材料裂紋尖端應力強度因子比CNTs/AZ91D復合材料的裂紋尖端應力強度因子下降程度劇烈。并且裂紋尖端的應力強度因子隨著界面層厚度的增大而增大,而隨著彈性模量的增加裂紋尖端應力強度因子呈減小的趨勢。當裂紋長度較小時,增強體長徑比(A30)對裂紋尖端應力強度因子影響不大。當裂紋長度較大時,增強體長徑比(A30)時,裂紋尖端的應力隨著裂紋長度的增長而出現減小趨勢。第四章對CNTs/AZ91D復合材料進行了總結和展望。
[Abstract]:A fast and effective numerical analysis method, finite element simulation analysis (FEA) method, has been developed in modern structural mechanics analysis. It is widely used in elastic-plastic calculation, damage rupture, dynamic mechanics, solving heat conduction equation, electromagnetic field, electromagnetic coupling field, hydrodynamics calculation. Based on the software of ordinary differential equation solver, this paper deduces the basic theoretical formula by using the basic principle and train of thought of finite element, and carries on the thorough research accordingly. Crack is an important research object in fracture mechanics of materials. In on-line elastic fracture mechanics, the stress intensity factor (1K) of crack tip is one of the theories to judge the stress field strength at crack tip. And the stress intensity factor is the key parameter to measure the stress field at the crack tip. In the first chapter, the research background, research status and application prospect of CNTs/AZ91D composites at home and abroad are briefly introduced. On the basis of this research, the finite element model of CNTs/AZ91D composites with different aspect ratios with cracks in matrix is established by using finite element software in the second chapter. The effects of crack length, aspect ratio of carbon nanotubes, elastic modulus of reinforcement and elastic modulus of matrix on stress intensity factor at crack tip of magnesium matrix were studied. The strengthening mechanism and fracture mode of CNTs/AZ91D composites were discussed. The simulation results show that the stress intensity factor of three dimensional crack tip in magnesium matrix tends to increase with the increase of crack length, but the stress intensity factor decreases sharply when the crack runs through the interface between the matrix and the matrix. This is similar to the crack variation trend of the two-sided materials. Stress singularity occurs in the stress field at the crack tip. The stress intensity factor at the crack tip decreases with the increase of the elastic modulus of the reinforcements and increases with the increase of the elastic modulus of the matrix. In the third chapter, the three-dimensional finite element model of Ni-CNTs/AZ91D composites is established, and the effects of interfacial layer thickness, elastic modulus of interfacial layer and ratio of length to diameter on the stress intensity factor at crack tip are studied. The results show that the stress intensity factor at the crack tip in the matrix of the CNTs/AZ91D composite is larger than that in the matrix of the Ni-CNTs / AZ91D composite. The crack tip stress intensity factor of Ni-CNTs / AZ91D composites decreases more sharply than that of CNTs/AZ91D composites when the crack extends near the interface between reinforcement and matrix. The stress intensity factor at the crack tip increases with the thickness of the interface layer and decreases with the increase of the elastic modulus. When the crack length is small, the ratio of reinforcement length to diameter (A30) has little effect on the stress intensity factor at crack tip. When the crack length is large, the stress at the crack tip decreases with the increase of crack length when the ratio of reinforcement length to diameter is A30. In chapter 4, the CNTs/AZ91D composites are summarized and prospected.
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O346.1;TB33

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本文編號：2182796