圓柱型功能梯度雙材料界面裂紋問(wèn)題研究

王 慧，張雪霞，趙文彬，趙志耀

(太原科技大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原 030024)

功能梯度材料(Functionally Graded Materials)，是依據(jù)不同的用途，通過(guò)前沿的材料復(fù)合技術(shù)將不同性能的材料復(fù)合，使其組成和結(jié)構(gòu)呈連續(xù)性梯度變化的一種新型復(fù)合材料。這種材料在很多領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用，圓柱型復(fù)合材料作為一類典型的工程結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。在這種復(fù)合材料中，界面對(duì)于傳輸載荷來(lái)說(shuō)很重要，但同時(shí)亦易于損壞。最嚴(yán)重的界面損壞就是脫離或者開(kāi)裂，這種損壞可能會(huì)導(dǎo)致材料機(jī)械性能急劇下降，甚至導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)發(fā)生突發(fā)性破壞。因此，為了提高機(jī)械性能，圓柱型復(fù)合材料有時(shí)被設(shè)計(jì)為功能梯度結(jié)構(gòu)，其具有沿著某一方向連續(xù)變化的材料特性。隨著功能梯度材料在實(shí)踐中的應(yīng)用，圓柱型功能梯度材料已經(jīng)吸引了許多人的關(guān)注。Li和Zou[1]運(yùn)用改進(jìn)的有限元方法，對(duì)圓柱型功能梯度材料內(nèi)外層之間的弧形裂紋的斷裂問(wèn)題進(jìn)行了分析。嵇醒[2]等對(duì)圓柱型界面裂紋進(jìn)行了探討,得出了對(duì)于不存在裂紋尖端接觸區(qū)的圓柱型界面裂紋,裂紋尖端附近應(yīng)力具有與平面界面裂紋情形相同的振蕩奇異性,如果裂紋尖端存在接觸區(qū),裂紋尖端附近應(yīng)力不存在振蕩奇異性,而是通常的1/2奇異。Pan[3]等推導(dǎo)出關(guān)于各向同性材料與功能梯度材料組成的圓柱型結(jié)構(gòu)在靜態(tài)應(yīng)變條件下一個(gè)簡(jiǎn)單的平面應(yīng)變的解。張雪霞[4]，李俊林[5]等對(duì)正交異性雙材料Ⅱ型混合界面裂紋附近相關(guān)力學(xué)情況進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)相關(guān)應(yīng)力函數(shù)的構(gòu)造，推出了雙材料Ⅱ型界面裂紋尖端受面內(nèi)載荷作用下的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的理論公式，并對(duì)振蕩奇異性進(jìn)行了說(shuō)明。仲政[6]等對(duì)一種特殊分布的功能梯度材料進(jìn)行了研究，表明材料梯度分布不同，圓柱型結(jié)構(gòu)中應(yīng)力和位移沿半徑方向有不同的變化規(guī)律，有的情況下規(guī)律完全不同。Yan和Gao[7]等用等參有限元方法對(duì)功能梯度壓電超導(dǎo)圓柱體的外部環(huán)形裂紋問(wèn)題進(jìn)行了分析，超導(dǎo)圓柱體由鉍和銀復(fù)合而成。通過(guò)定義裂紋參數(shù)范圍來(lái)反映磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流密度對(duì)裂紋的影響，獲得磁場(chǎng)不通過(guò)裂紋表面的條件和裂紋外部廣義臨界狀態(tài)模型，并得到分析零場(chǎng)冷卻和場(chǎng)冷卻活化過(guò)程的超導(dǎo)圓柱體的磁通密度分布。時(shí)朋朋[8-9]等人對(duì)功能梯度材料弱間斷界面的反平面裂紋問(wèn)題以及壓電壓磁功能梯度雙材料的周期界面裂紋問(wèn)題都進(jìn)行了分析。Li和Lee[10-11]使用分離變量和積分方程的方法，研究了外層覆蓋功能梯度材料的實(shí)心圓柱，并且對(duì)在徑向載荷作用下的混合型界面裂紋問(wèn)題進(jìn)行了分析，將該圓柱型功能梯度材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化。Xian-Fang Li[12]等對(duì)雙材料在剪切力加載到環(huán)形界面裂紋表面時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子以及尖端場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行了分析。根據(jù)裂紋的軸對(duì)稱問(wèn)題得到了混合邊界條件，求解出一組沒(méi)有振蕩奇性的封閉解。

近年來(lái)，研究復(fù)合雙材料界面裂紋問(wèn)題的文獻(xiàn)很多，但對(duì)于圓柱型功能梯度雙材料界面裂紋問(wèn)題的研究較少，仍有許多問(wèn)題需要做進(jìn)一步研究。本文研究受軸向剪切力作用的圓柱型功能梯度雙材料界面裂紋尖端場(chǎng)問(wèn)題。針對(duì)內(nèi)外兩層為功能梯度材料的圓柱型復(fù)合材料的弧形界面裂紋問(wèn)題，建立力學(xué)模型。運(yùn)用分離變量的方法，借助邊界條件和待定系數(shù)法，推導(dǎo)出圓柱型復(fù)合材料界面裂紋尖端附近的應(yīng)力以及位移的表達(dá)式。

1 基本問(wèn)題

圖1為分層的圓柱型復(fù)合材料的橫截面。該復(fù)合材料內(nèi)外兩層為同心的非均勻圓柱，內(nèi)層功能梯度材料半徑為r1，外層功能梯度材料半徑為r2.在兩層材料粘合處上有一條張開(kāi)角度為2α的弧形裂紋，將圓柱型結(jié)構(gòu)橫截面的圓心o作為原點(diǎn)，x軸型裂紋張開(kāi)角度為2α，并且整個(gè)圓柱型結(jié)構(gòu)關(guān)于x軸對(duì)稱。

圖1 含弧形界面裂紋的圓柱型復(fù)合材料

Fig.1 A cylindrical composite with an arc-shaped interface crack

經(jīng)過(guò)裂紋中心且垂直于裂紋面，y軸與x軸垂直，分別建立直角坐標(biāo)系和對(duì)應(yīng)的極坐標(biāo)系，則圓弧假設(shè)圓柱型復(fù)合材料內(nèi)外兩層分別為功能梯度材料，則在軸向剪切力作用下，其切應(yīng)力與軸向位移的關(guān)系可分別表示為：

(1)

(2)

式中：βi是功能梯度材料的非均勻性參數(shù)，并且是無(wú)量綱的。

在軸向剪切力作用下，其平衡方程分別為:

(3)

把式(1)代入式(3)，同時(shí)結(jié)合式(2)，圓柱型復(fù)合材料內(nèi)外兩層功能梯度材料的控制方程可表示為:

(4)

假設(shè)該裂紋的圓柱型復(fù)合材料受到軸向剪切力的作用，由于斷裂問(wèn)題的對(duì)稱性，所以只研究x軸上半部分即可，則此問(wèn)題的邊界條件和連續(xù)性條件可轉(zhuǎn)化為:

w1→有限值，r→0；

(5)

w2(r2,θ)=0,0≤θ≤π；

(6)

(7)

w2(r1,θ)=w1(r1,θ),α≤|θ|≤π；

(8)

τrz(r1,θ)=-τ0,0<|θ|<α.

(9)

式中：-τ0為作用在裂紋面上等效切應(yīng)力?？蓮膶?shí)際作用的應(yīng)力中通過(guò)疊加來(lái)確定。故討論圓柱型功能梯度雙材料界面裂紋尖端場(chǎng)問(wèn)題被轉(zhuǎn)換為求解偏微分方程組式(4)-式(9)的邊值問(wèn)題。

2 分離變量法

通過(guò)分離變量的方法求解方程組(4)，把位移函數(shù)wi(r,θ)寫成分離變量形式

wi(r,θ)=Ri(r)Φi(θ)

(10)

把式(10)代入到方程組(4),得到

(11)

式(11)兩邊同除以Ri(r)，整理可得

(12)

(13)

只有當(dāng)n為整數(shù)時(shí)式(12)的解恒存在，在此條件下，式(12)有兩個(gè)線性無(wú)關(guān)的解是cos(nθ)和sin(nθ).由于此問(wèn)題以θ=0的軸向截面對(duì)稱，只保留cos(nθ).最終位移函數(shù)wi(r,θ)可以用無(wú)窮級(jí)數(shù)表達(dá)如下：

(14)

(15)

其中：

(16a)

(16b)

把條件(5)代入式(14)，可以得到

Bn(n)=0

(17)

把條件(6)代入式(15)，可以得到

Dn(n)=Q1(n)Cn(n)

(18)

把條件(7)代入式(14)、式(15)，結(jié)合式(17)和式(18),可以得到

An(n)=Q2(n)Cn(n)

(19)

式中：Q1(n)和Q2(n)為已知函數(shù)，

為將式(8)和式(9)描述的混合邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為奇異積分方程，引入如下的位錯(cuò)密度函數(shù)：

(20)

由式(8)和式(20)知位錯(cuò)密度函數(shù)滿足：

(21)

根據(jù)式(14)、式(15)和式(20)可知，g(θ)為奇函數(shù)，因此有單值性條件g(0)=0.將式(14)和式(15)代入式(20)，利用有限傅里葉余弦變換，可得:

(22)

式中：Q3(n)為已知函數(shù)，

將式(22)代入應(yīng)力場(chǎng)，再將結(jié)果代入邊界條件式(9)，得到如下積分方程：

(23)

式中：Q4(n)為已知函數(shù)，

基于Q4(n)的收斂性，積分方程式(23)進(jìn)一步分離奇異性，化為Cauchy奇異積分方程，從而可求出g(s)的數(shù)值解。在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步求得裂紋尖端無(wú)量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值解。

3 裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)

將式(14)、式(15)結(jié)合式(2)代入式(1)，分別得到圓柱型功能梯度雙材料在裂紋尖端附近的位移和應(yīng)力的表達(dá)式

(24)

Cn(n)cos(nθ)

(25)

(26)

sin(nθ)

(27)

(28)

(29)

其中：Cn(n)可由方程(22)解得。

4 結(jié)論

運(yùn)用分離變量法和待定系數(shù)法，研究了內(nèi)外分別為功能梯度材料的圓柱型復(fù)合雙材料在徑向應(yīng)力條件下的界面開(kāi)裂問(wèn)題，分析了圓柱型雙材料的界面裂紋尖端場(chǎng)。得到圓柱型雙材料界面裂紋尖端附近位移和應(yīng)力的形式表達(dá)式。其結(jié)果可應(yīng)用于受軸向剪切力作用圓柱型復(fù)合材料界面開(kāi)裂問(wèn)題的理論分析。

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