提高异质材料界面强度的结构设计方法研究

异质材料界面端、界面角点附近奇异应力场的存在是导致异质材料结构失效的主要因素。因此，减轻或消除界面端和角点应力奇异性对于提高界面结合强度，进而提高异质材料结构的安全可靠性有着重要的理论和实际意义。本申请项目将采用理论分析和数值计算相结合的方法，研究各种边界条件下减轻或消除三维界面端和角点应力奇异性的几何条件（界面接合角组合），得出相应的临界接合角组合；采用有限元方法对界面端附近的应力应变场进行分析，研究界面和接头几何形状对界面结合强度可能产生的影响，建立以界面结构强度最大化为目标的优化设计方法；设计相应的异质材料接头试样，通过对比实验对典型优化设计方案进行验证。本申请项目的研究将为复合材料界面结构设计提供新理论和新技术，研究成果对研制高性能复合材料结构有重要的理论和实际意义。

双材料粘接结构广泛应用于诸如车辆、航空航天以及微机电系统等工业领域。这类结构由于存在材料的非连续性，其强度和可靠性问题异常突出，极大地制约了其使用范围和使用条件。一般来说，粘接界面端附近的奇异应力场是引起异质材料结构实效的主要原因之一。因此，减轻或消除界面端和角点应力奇异性对于提高界面结合强度，进而提高异质材料结构的安全可靠性有着重要的理论和实际意义。本项目采用理论分析、数值计算并结合相应的实验，首先分析了双材料粘接结构减轻或消除三维界面端和角点应力奇异性的几何条件；在此基础上，设计了一系列具有不同界面尺寸、不同接头倾斜角、有圆弧倒角与无圆弧倒角的双材料试样，通过实验研究了接头倾斜角、界面尺寸、三维界面应力奇异性对界面强度的影响；最后，通过对实验数据拟合建立了表征三维应力奇异性指数与失效应力关系的经验公式并对双材料粘接梁的界面强度进行预测。本项目研究成果对提高复合材料结构强度设计提供了新理论和新技术，为复合材料界面结构设计提供了重要参考。