雙金屬材料圓板Ⅲ型界面裂紋的ANSYS分析

金譽輝，金長義，陳金梅，張曉斌

（1.廣西特種設備監督檢驗院，廣西 南寧530219；2.廣西工業職業技術學院，廣西 南寧530003）

隨著材料科學的迅速發展，雙金屬材料在工程上的應用日益增多。但由于材料界面裂紋往往成為影響材料整體力學行為的重要因素，使雙金屬材料強度下降，因而對各種不同類型雙金屬材料界面裂紋擴展的研究具有非常重要的意義。

目前，對于斷裂力學裂紋擴展問題有兩種不同的觀點：一種應力強度的觀點，認為裂紋尖端的應力強度因子超過表征材料特性的臨界應力強度因子時，裂紋發生失穩擴展；另一種是能量觀點，認為當裂紋的擴展使得釋放的彈性能多于產生新裂紋所需要的能量，則發生裂紋的失穩擴展。這兩種觀點有一定的聯系。由相關的基礎知識可以看出，應力強度因子與裂紋尖端領域內點的坐標無關，只是表征裂紋體彈性應力強度的量，而不表征各種裂紋變形狀態下的應力分布，應力強度因子K是由裂紋的遠場邊界條件確定，所以一般來說，與受載荷方式、荷載的大小、裂紋長度及裂紋體的形狀有關，當然有時候與材料的彈性性能也有關。求解應力強度因子的方法有三種：解析法、數值解法和實驗方法，基本思路均為由彈性或者是塑性方程出發，把裂紋作為一種邊界條件，考察裂紋尖端的應力場、應變場、位移場，設法建立這些場與控制斷裂的物理參量之間的關系和裂紋尖端附近的局部斷裂條件，從而獲得應力強度因子的值[1~2]。本文通過數值解法采用三維有限元軟件ANSYS來分析了雙金屬材料圓板Ⅲ型界面裂紋的應力場、應變場、位移場。

1 問題描述

圖1所示為帶有Ⅲ型界面中心裂紋雙金屬材料圓板[3]，其中圓板上下兩種材料均為各向同性，至少有一種為脆性材料。圓板半徑R，板上有一隨時間變化的界面中心裂紋2α（t）。以圓板中心為原點建立柱坐標系，與圓板面垂直的方向為z軸方向。板面上的任意點均由r和θ確定。界面上下兩種材料的剪切彈性模量和密度分別為G1、ρ1和G2、ρ2。圓板周邊自由。界面中心裂紋表面作用反平面剪應力-τ，形成自平衡體系。裂紋沿界面穩態擴展。板上只有z方向位移W（r，θ，t），其為r，θ，t的函數。

圖1 具有Ⅲ型界面裂紋的圓盤

本文采用三維有限元軟件ANSYS來分析雙金屬材料圓板Ⅲ型界面裂紋的擴展。整個分析主要有兩個步驟：

（1）求解裂紋尖端的應力場、應變場、位移場，這部分內容ANSYS求解已經相當成熟；

（2）利用第一部分求解出的結果，像邊界上求出的應力、應變、位移來求解應力強度因子[4~5]。

2 計算實例

如圖1所示，根據對稱性，取一半進行分析。所選用金屬材料1和材料2中至少有一種為脆性材料，兩種材料采取對接焊，焊接處的強度290~310 MPa。己知兩種金屬材料的工程常數及相關尺寸 受力如表1、表2所示。

表1 材料常數

表2 其它參數

2.1 建立模型

在遠離裂紋尖端時，選用普通的SOLID45單元，裂紋尖端處，選用20節點的SOLID95單元，由于不能采用ANSYS命令KSCON來直接生產1/4單元，所以就采用APDL語言編程來直接生成網格模型，共生成了1296個節點、520個單元，生成的3D有限元斷裂模型[6~7]，如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 加載計算

2.2.1 加載

（1）約束荷載：在對稱面處只施加約束X方向位移的對稱約束載荷，在和裂紋面同一平面上遠離裂紋的一端施加約束各個方向的自由度的約束載荷。

（2）外加荷載：將在裂紋面上的面載荷，轉化到每個節點的集中荷載，轉化后在裂紋面上靠近外側處的每個節點加絕對值為152.4 N的集中力，如圖3所示。

圖3 加載后的模型圖

2.2.2 計算

通過計算可以得到圓板變形前后對比圖，各個場的等值線圖，裂紋尖端的應力場和位移場，以及應力強度因子等。

（1）雙金屬材料圓板變形前后對比圖，如圖4所示。

圖4 變形前后對比圖

（2）Z方向位移的等值線圖，如圖5所示

圖5 Z方向位移等值線圖

（3）應力場：得到了τyz的應力等值線圖，如圖6所示，同時為了能和前面的計算結果進行比較，繼續將ANSYS分析所得結果繪制成曲線圖，得到了以裂紋尖端為圓心，離裂紋尖端距r1=1.104 1 mm、t=0.1 s情況下的應力場－轉角（θ1）的關系圖，如圖7所示。其中θ1表示為以裂紋尖端為原點的極坐標的極角。

圖6 τyz的應力等值線圖

圖7 r1=1.104 1 mm、t=0.1 s時，應力場－轉角（θ1）曲線圖

（4）位移場：將位移場隨參數而變化的情況繪制曲線圖，分以下三種情況：

一是，在r1=1.104 1 mm、t=0.1 s情況下，位移－轉角（θ1）的關系圖，如圖8所示。

圖8 r1=1.104 1 mm、t=0.1 s時，位移－轉角（θ1）曲線圖

二是，在θ=0°，t=0.1 s下，位移－半徑（r）的關系圖，如圖9所示。

圖9 θ=0°，t=0.1 s時，位移－半徑（r）的曲線圖

三是，在θ=90°，t=0.1 s下，位移絕對值－半徑（r）的關系圖，如圖10所示。

圖10 θ=90°，t=0.1 s時，位移絕對值－半徑（r）的曲線圖

（5）應力強度因子

分析了應力強度因子隨裂紋長度的變化，將得到的數據制成了相應的曲線圖，如圖11所示。

圖11 應力強度因子－半徑（r）的曲線圖

3 結果分析

通過ANSYS分析得到的雙金屬材料圓板Ⅲ界面裂紋尖端的應力場、應變場和位移場及應力強度因子，我們可以得出以下結果：

（1）已知圓板Ⅲ型界面焊接街頭處的強度為290~310 MPa，根據圖6的應力場可知，能保證圓板Ⅲ型界面裂紋動態擴展。

（2）應力場：從圖7中可以看出，裂紋尖端應力場隨著角度的不同而變化。

對于τθz來說，在裂紋尖端和上下裂紋面三處都出現了τθz達到最值，即圖中所對應的θ1=180°表示的是材料1在裂紋面的上表面，而θ1=0°指的是裂紋尖端的界面處，而θ1=-180°就是裂紋面的下表面，顯然，根據應力集中的理論知識可知，對于任何幾何形狀有突變的地方都將產生應力集中，而在裂紋尖端處，考慮在彈性力學上，應力可以是無窮大（稱為應力奇異性，即應力集中很大），定性的說明了為什么層板材料破壞時，大多數破壞都是從層與層結合界面端部開始的。根據裂紋尖端的應力奇異性知，裂紋尖端的應力應該達到無窮大，實際7中表明裂紋尖端的應力集中系數最大也沒超過15，說明了裂紋尖端存在塑性屈服。

對于τrz來說，出現最值的點也是和τθz一樣出現在裂紋的上下表面，所不同的是，在裂紋的界面上，τrz的值接近于0，根據理論知識裂紋界面處指的是θ1=0°，顯然τrz等于0，而ANSYS的結果正好也驗證了這一點。

（3）位移場：圖8裂紋尖端位移隨角度θ1的變化關系圖，從圖中知，曲線上方表示的是材料2隨角度變化的位移，下方表示的是材料1相應的位移，在各自材料內的位移都沒有太大區別，區別主要是兩種材料到界面的角度相等時，材料2的變形小于材料1的變形，這一點是因為材料2的剪切模量大于材料1的剪切模量所引起的；在界面處，當裂紋還沒有傳播到的地方，此時裂紋并沒有開裂，曲線在此處是連續的；裂紋傳播到的地方，也就是說裂紋在此處已經開裂了，那么材料1和材料2在界面處已分離，則使得到的曲線在界面處應該是不連續的，由于材料1和材料2的位移方向是相反的，所以圖中并沒有顯示出來。若將位移表示成絕對值時，則在界面處將會出現位移絕對值的突變值。

圖9描述的是界面位置不同時相應的位移值，在裂紋面內，兩種材料是分離的，材料1和材料2的位移最大值都是出現在圓板中心點處，此時r=0，且隨著r的增大而減小；等到了裂紋尖點時，此時正是裂紋開裂的臨界位置，材料1和材料2的位移值相等，且等于零。

圖10表述的是位移隨半徑的變化曲線，這里半徑r是在垂直裂紋面方向的變化。沿著半徑方向時，材料1的位移方向是向Z的負方向，材料2是向正Z方向，r增大到一定值時，材料1的位移開始反向，材料1的位移方向變為Z的正方向，而材料2的位移方向一直是正方向，原因是材料2的剪切模量更大引起的。當然兩種材料的位移都是隨著r的增大而減小。

（3）應力強度因子：文獻[3]給出了雙金屬材料圓板Ⅲ型界面裂紋的應力場、位移場的理論解，卻沒有給出應力強度應子的解析解。本文通過ANSYS的分析結果，得到了應力強度應子的數值解，為以后通過實驗來修正應力強度因子做準備。圖11描述的是裂紋擴展時的動態應力強度因子與半徑的關系，事實上這里的半徑是指裂紋在某時刻擴展到某位置時裂紋長度的一半，顯然在靜態斷裂問題中，應力強度因子只是裂紋長度和外力的函數。曲線圖正確地反映了應力強度因子隨半徑的變化而變化，隨著裂紋的擴展，裂紋長度逐漸增大，應力強度因子也相應的增大。

4 結束語

本文分析得到的雙金屬材料圓板Ⅲ型界面裂紋尖端的應力場、應變場和位移場及應力強度因子的數值解，為認識雙金屬材料圓板Ⅲ型界面裂紋擴展機理提供理論依據。在研究雙金屬材料Ⅲ界面裂紋的應力強度應子的時候，解析解存在著局限性。而數值法為雙金屬材料圓板Ⅲ型界面裂紋的應力強度因子的解析解提供了修正依據。

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