簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 廖經元
Liao, Jing-Yuan
論文名稱: 以應變能密度理論分析含中央裂縫之功能梯度平面問題
Analysis of a Functionally Graded Plane with a Central Crack by Using Strain Energy Density Theory
指導教授: 褚晴暉
Chue, Ching-Hwei
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 75
中文關鍵詞: 裂縫功能梯度材料面內問題應力強度因子應變能密度因子
外文關鍵詞: crack, functionally graded materials, in-plane problem, stress intensity factor, strain energy density factor
相關次數: 點閱:143下載:3
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 本論文研究利用應變能密度理論分析無窮功能梯度平面嵌入一中央裂縫,並改變裂縫面上的邊界負載,探討裂縫即將開裂時其裂出角度。材料的蒲松氏比為一定值,但功能梯度曲線可任意旋轉,材料性質沿任意方向做指數型函數變化。承接Konda and Erdogan (1994)的研究,利用Gauss-Chebyshev積分方法將積分方程式展開為一組線性的代數方程式進行數值求解,可求出裂縫尖端第I型與第II型的無因次應力強度因子,並將數值解結果與文獻相互驗證,證明所推導之公式其可用性。再將不同邊界負載下所求得的無因次應力強度因子代入應變能密度理論,討論當改變材料梯度方向以及非均質材料參數時對無因次化應變能密度因子之影響,並觀察無因次化應變能密度曲線,找出應變能密度因子極小值所對應的角度,即為所預測之裂縫可能開裂角度,並與利用最大周向應力理論所預測之可能開裂角度其之間的差異做一比較。由於材料的破壞韌性在非均質材料中仍是未知,因此裂縫是否真的會沿預測的角度裂出仍需要更多的實驗結果來輔助驗證。

    In this research, the strain energy density theory is employed to predict the extension direction of a central crack embedded in a functionally graded material. The variation of material property, which vary along arbitrary direction, is assumed in an exponential form and the Poisson ratio is kept as a constant. Following the previous study of Konda and Erdogan (1994), the formulations will be derived from the beginning. The derived singular integral equations are solved numerically. The normalized stress intensity factors of two simple loading cases are compared and checked correctly to validate the formulations and numerical computations. The direction of minimum strain energy density factor Smin, which is used to indicate the crack extension direction, for different loading directions are obtained and compared with the results predicted by the maximum circumferential stress theory. The factors that affect the magnitude of Smin and direction include the non-homogeneous material parameter, crack length, and the variation direction of material properties. Since the fracture toughness of a non-homogeneous material is still unknown, the possibility of using the strain energy density theory for predicting the direction of crack extension needs more experimental evidence.

    摘要 i Abstract ii 誌謝 iii 目錄 v 表目錄 viii 圖目錄 x 符號說明 xiii 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 3 1.3 研究動機 3 第二章 分析問題推導 4 2.1 問題描述 4 2.2 統御方程式 5 2.3 裂縫面之邊界條件 6 2.4 奇異積分方程式與應力強度因子之推導 13 2.5 應變能密度理論 18 2.5.1 應變能密度因子之假設與推導 18 2.5.2 功能梯度材料下之修正 20 2.6 最大周向應力理論 22 第三章 數值運算方法 23 3.1 第一型奇異積分方程式 23 3.2 Guass-Chebyshev 的數值積分法 25 第四章 數值驗證與討論 31 4.1 單軸拉伸負載下無因次應力強度因子 32 4.2 純剪力負載下無因次應力強度因子 35 4.3 蒲松氏比ν對無因次應力強度因子之影響 36 第五章 結果與討論 38 5.1 單軸拉伸負載下的 曲線 38 5.1.1 材料梯度方向對 曲線之影響 38 5.1.2 非均質材料參數對 曲線之影響 41 5.1.3 可能裂出角度之討論 43 5.2 純剪力負載下的 曲線 44 5.2.1 材料梯度方向對 曲線之影響 46 5.2.2 非均質材料參數對 曲線之影響 49 5.2.3 可能裂出角度之討論 51 5.3 混合邊界負載下的 曲線 52 5.3.1 合力之角度為22.5度 54 5.3.1.1 材料梯度方向對 曲線之影響 54 5.3.1.2 非均質材料參數對 曲線之影響 56 5.3.1.3 預測可能開裂角度 59 5.3.2 合力之角度為45度 60 5.3.2.1 材料梯度方向對 曲線之影響 60 5.3.2.2 非均質材料參數對 曲線之影響 63 5.3.2.3 預測可能開裂角度 65 5.3.3 合力之角度為67.5度 66 5.3.3.1 材料梯度方向對 曲線之影響 66 5.3.3.2 非均質材料參數對 曲線之影響 69 5.3.3.3 預測可能開裂角度 71 第六章 結論 74 參考文獻 75

    [1] 王寶林, 韓杰才, 張幸紅, 非均質材料力學,科學出版社, 北京市, 2003.
    [2] Erdogan, F. and Delale, F., The Crack Problem for a Nonhomogeneous Plane. Transaction of the ASME, Journal of Applied Mechanics 50, 609-614, 1983.
    [3] Ozturk, M. and Erdogan, F., The Axisymmetrical Crack Problem in a Nonhomogeneous Medium. Transaction of the ASME, Journal of Applied Mechanics 60, 406-413, 1993.
    [4] Konda, N. and Erdogan, F., The Mixed-Mode Crack Problem in a Nonhomogeneous Elastic Medium. Engineering Fracture Mechanics 47, 533-545, 1994.
    [5] Erdogan, F., Fracture-Mechanics of Functionally Graded Materials. Composites Engineering 5, 753-770, 1995.
    [6] Muskhelishvili, N. I., Singular Integral Equations. Noordhoff International Publishng, Groningen, The Netherlands, 1953.
    [7] Sih, G. C., Mechanics of Fracture Initiation and Propagation. Kluwer Academic Publishing, Dordrecht, Boston, Chapter 1, 1991.
    [8] Erdogan, F., Gupta, G. D. and Cook, T. S., Numerical Solution of Singular Integral Equations in Mechanics of Fracture 1: Method of Analysis and Solution of Crack Problem, edited by G. C. Sih, Chapter 7, Noordhoff International Publishing, Leyden, The Netherlands, 1973.
    [9] 徐穎成, 含單一嵌入式裂縫之功能梯度壓電半無窮平板問題面內破壞分析, 國立成功大學, 2009.
    [10] Erdogan, F. and Gupta, G. D., Numerical Solution of Singular Integral Equations. Quarterly of Applied Mathematics 29, 525-534, 1972.
    [11] Rivlin, T. J., The Chebyshev Polynomials. Wiley, New York, 1974.

    下載圖示 校內:立即公開
    校外:立即公開
    QR CODE