聚合物梯度材料黏弹性断裂的双控制参数

     
       针对组分材料体积分数任意分布的聚合物功能梯度材料，研究其在蠕变加载条件下I型裂纹应力强度因子( SIFs)和应变能释放率的时间相依特征。由Mori- Tanaka方法预测等效松弛模量，在I_aplace变换域中采用梯度有限元法和虚拟裂纹闭合方法计算断裂参数，由数值逆变换得到物理空间的对应量。分析边裂纹平行于梯度方向的聚合物功能梯度板条，分别考虑均匀拉伸和三点弯曲蠕变加载。结果表明，聚合物梯度材料应变能释放率随时间增加，其增大的程度与黏弹性组分材料体积分数正相关；材料的非均匀黏弹性性质产生应力重新分布，导致裂纹尖端应力场强度随时间变化，当裂纹位于黏弹性材料含量较低的一边时，应力强度凶子随时间增加，反之，随时间减小。而且，材料的应力强度因子与时间相依的变化范围和体积分数分布以及加载方式有关，当体积分数接近线性分布时，变化最明显，三点弯曲比均匀拉伸的变化大。SIFs随时间的延长增加或减小、加剧或减轻裂纹尖端部位的“衰坏”，表明黏弹性功能梯度裂纹体的延迟失稳需要联合采用应力强度因子与应变能释放率作为双控制参数。

       高聚物功能梯度材料包括金属／高聚物、陶瓷／高聚物和无机填料／高聚物等，其应用前景广泛，如用做人体组织器官修复的生物医学材料、热应力缓和作用的耐磨机械零件和建材等。材料制备及加工产生缺陷或裂纹，以及高分子组分材料的黏弹性性质，会使得高聚物功能梯度材料发生时间相依的失效。因此，研究此类材料的黏弹性断裂行为对材料设计、制备及应用具有指导意义。然而，关于高聚物功能梯度材料时间相依断裂的研究T作仍很少。

       本文采用文献[4]的有限元数值方法，在蠕变加载条件下，分析高聚物功能梯度材料裂纹体的应变能释放率和应力强度因子的时间相依特征，有助于深入认识此类材料的延迟断裂机制。文中首先简述断裂参数的计算方法，然后以裂纹平行于梯度方向的边裂纹板条为对象展开分析。

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