镀层厚度变化对周期性裂纹的影响.pdf

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1、熊银生等:镀层厚度变化对周期性裂纹的影响75镀层厚度变化对周期性裂纹的影响熊银生,孙浩,谈政(河海大学土木与交通学院。江苏南京210098)【摘要】缆索镀层表面周期性裂纹的研究经常被用来评价缆索/镀层系统的界面质量,通过这些技术可用来评估缆索镀层在大跨度结构应用中的力学性能。本文主要研究粘贴在基底上的镀层受外力作用时,镀层厚度变化对其周期性裂纹应力场位移场的影响,讨论了裂纹尖端奇异性点对镀层末端正应力的影响。文中还将理论分析的结果与有限元数值模拟进行对比。【关键词】镀层;周期性裂纹;应力场;位移场【中图分类号】TU392.2【文献标识码】B【文

2、章编号】1001—6864(2014)03—0075—030引言薄膜镀层作为一种表面工程技术近年来发展迅速,目前有许多利用异种材料制成镀层的技术,以实现结构的功能性要求。薄膜镀层有着很多不同的应用⋯,例如,大跨度缆索结构表面的防腐层。一些学者利用裂缝机理和断裂力学分析弹性或塑性基底上(a)镀层开裂前的镀层破坏。。残余应力的存在可使镀层产生裂纹,这些裂纹可能生长在镀层里、基底中或界面上,当薄膜材料是脆性且失配应力是拉应力时,镀层开裂l。z...z.。一j是一个普遍的应力松弛现象。温度变化和外力引起I。。’的拉应力可能使薄膜产生破坏并形成裂纹,这些

3、裂纹通常大致呈周期性排列。随着拉应力增大,将会产(b)镀层开裂后生新的裂缝直到其达到饱和问距,很多学者利用图l二维镀层,基底稹型这个机理进行理论分析和试验,研究开裂模型中镀层的弹塑性性质、粘贴面情况以及断裂行为’。根据Yin的研究可得到镀层在外力作用下,周关于镀层裂纹的弹性场已经有很多研究,但是不期性裂纹的应力场和位移场为:同镀层厚度对周期性裂纹应力场、位移场的影响还鲜u(,),)=17"0+Bsin^(c/h)c。s[d(1一y/h)]少出现。本文主要针对不同镀层厚度对周期性裂纹应力场、位移场的影响,并通过有限元数值模拟进行(1)对比。其中镀

4、层是完全粘贴在基底上的,不考虑镀层=0+ElBc/hcosh(cx/h)COS[d(1一y/h)]分层现象;裂纹扩展至镀层基底交界面处停止,不考(2)虑裂纹尖端伸展至基底中或停留在薄膜的情况。or=。Bd/hsinh(cx/h)sin[d(1一y/h)](3)1基本公式式(1)、(2)、(3)中or"。为初始外力荷载,B可由下本文研究粘贴在厚度很大的基底上的薄膜裂纹式得到:问题,建立了如图1所示的二维平面应变模型,取两相一邻裂纹间的薄膜进行研究。薄膜和基底的材料参数如一√.’—bTocosh(hco—"lo/h)sind(4)下:薄膜厚度h,弹

5、性模量E,泊松比u;基底厚度日,根据Xia⋯的方法,可以确定c和d的值:弹性模量,泊松比。假设薄膜和基底是各项同性2c=;d=的、均质的、线弹性的且变形很小。裂纹出现前,薄膜√去c(5)的宽度为21【l;裂纹产生后,薄膜宽度将变为2z,且裂纹式中,,/3为Dundur常数,且:呈周期性排列。[基金项目]周家自然科学基金(50709006)76低温建筑技术2014年第3期(总第189期)El—Eol(1—2vo)一0(1—2v1)丽’_=_=(6)式中,=E。/(1一),。=E。/[2(1一)]。为计算方便,g(Ot,p)可通过以下方程拟合:一o

6、l23456(7)rflnl2镀层厚度变化对周期裂纹的影响及有限元模拟对比验证(a)镀层上表面方向位移分布图由公式(1)、(2)、(3)可得到带有周期性裂纹镀层的应力场和位移场,现分析不同镀层厚度对其影响,并运用ABAQUS对所建模型进行有限元模拟(FEM)对比分析。一莹2.1有限元模型的建立圣取任意两相邻裂纹间的镀层/基底系统进行研究,如图1所示,根据其对称性,取模型的右半部分进行建模,基底厚度是镀层厚度的20倍,模型的单元选0123456取为四节点四边形单元,模型中,在对称面的方向及X,nlm基底下表面的Y方向均施加了固定约束。因为裂纹尖(

7、b)镀层上表面方向正应力分布图端奇异性点的存在,在有限元模型的网格划分时,对该奇异性点周围区域的网格进行细化,网格细化的结E1/E0=10,V0-t,'I=0.5,/=6ram,果如图2所示。莲文≮竺一昂叟.J,\、hJ、‘~Ⅱ、\、\.

8、一1·一=0.5mm、一0l23456Xlmm图2有限元模型细化网格兰(c)镀层与基底界面切应力分布图2.2镀层厚度对周期裂纹的影响及讨论凰3不同镀层厚度对周期裂纹的应力场、位移场影响不同镀层厚度对周期裂纹的应力场、位移场影响(曲线为理论预测结果,符号为FEM结果)如图3所示。图3(a)为镀层上表面沿方向位移

9、分布图;由图3(a)表明,镀层厚度越大,薄膜上表面位移能满足裂纹表面的每一个点,因此理论解不能保证镀越小,位移值随单调递增。薄膜上表面的正应力分层末端

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