光弹性五参数法确定Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子

在考虑远场非奇异应力σax、σoy、τ0影响的基础上,建立了Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子与等差线条纹上点的极坐标间的非线性方程,为通过该方程确定应力强度因子,将θ=0及θ=π/2两极轴与三等差线条纹交点的坐标先后代入方程,并利用差分法得到了一种光弹性法确定Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子的五参数法。作为实例,本文测定了环氧树脂及聚碳酸酯在不同载荷、不同裂纹条件下的应力强度因子,并将所得结果与相应的理论计算值及三参数法的结果进行了比较,发现本文提出的五参数法确定Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子的方法,充分反映了远场非奇异应力的影响,所得结果精度较高。     

一种光弹性法确定应力强度因子的简便方法

在考虑远场非奇异应力σａｘ影响的基础上,建立了Ⅰ－Ⅱ混合型裂纹问题应力强度因子Ｋ１、ＫⅡ与等差线条纹图上点的极坐标间的非线性方程,为确定ＫⅠ、ＫⅡ及σａ,本文将θ＝０及θ＝π／２两级轴与两级不同条纹交点的坐标代入方程,从而得到了一种光强弹性法确定Ⅰ－Ⅱ混合型裂纹问题应力强度因子的简便方法。作为实例,本文一了环树脂及聚碳酸脂材料在不同载荷、不同裂纹条件下的应力强度因子,并将所得结果与相应的理论计算值     

弹塑性有限元的一些解法比较

1.弹塑性有限元分析的基本公式根据von Mises 屈服准则和Prandtl-Reuss塑性流动律,可以导出弹塑性阶段的应力增量-全应变增量之间的本构关系:{dσ}=[D_(eP)]{dε} (1)其中{dσ}为应力增量列阵,{dε}为应变增量列阵,[D_(eP)]为弹塑性系数矩阵,它的表达式为:其中(?)为有效应力,[D_e]为弹性系数矩阵,H=(?)/((?)~p)为有效应力和有效塑性应变曲线的斜率.增量形式的平衡方程为:[K]{△u}={△P} (3)其中[K]为总体刚度矩阵,{△u}为位移增量列阵,{△P}为外载荷增量列阵.2.几种解法方程(3)是非线性的.对于一般问题,精确求解比较困难.目前,一般都用近似法来求解.下面介绍几种解法.     

插入法求强化弹塑性解

设结构只承受按相同比例增加的表面载荷作用并只发生小变形,材料性质及边界条件皆近似合乎简单加载的要求。按照的小弹塑性形变理论,当结构尺寸、材料性质及边界约束条件给定时,位移、应力、应变及载荷之间的对应关系是唯一的。我们来研究给定了结构最大应变强度值εimax情况下解的性质。 如果εimax不超过比例极限ε,则位移、应变、应力及载荷皆与εimax成线性关系。此时结构中各点的应变张量分布     

Ⅰ—Ⅱ复合型有限宽平板剩余强度分析的工程方法

本文依据线弹性力学原理,用复变函数法求得在拉伸载荷下有限宽平板斜裂纹问题的K_Ⅰ和K_Ⅱ,并采用最大剪应变判据((d~2ε_θ)/(dθ~2)<0及(ε_θ)max与K_R相应),求得裂纹扩展角及当量Ⅰ型应力强度因子K_((?)q),再用能量准则求得失稳时的临界应力及裂纹容限.用此方法对几种初始角的几何斜裂纹有限宽平板的剩余强度作了计算,计算结果与有关文献中的数据和试验值相比,开裂角、临界应力及裂纹容限的误差均满足工程要求(2～7％).为进行二维薄壁结构的损伤容限设计,本文提供了剩余强度分析的工程方法及计算程序.     

任意多椭圆孔多裂纹无限大各向异性板应力强度因子求解的一种新方法

采用各向异性体平面弹性理论中的复势方法,应用保角变换技术,以F aber级数为工具,导出含任意多椭圆孔和裂纹群无限大各向异性板在远场载荷作用下其应力场和位移场的级数解,并在此基础上利用断裂力学方法确定裂纹尖端的应力强度因子,通过算例讨论了材料参数及裂纹、孔的尺寸等对应力强度因子的影响规律,得出了一些有益的结论。数值结果表明本文方法具有计算精度高、收敛速度快、方便快捷等优点,有利于全面系统地研究各参数对结构断裂性能的影响。     

任意多孔多裂纹有限大板的应力强度因子分析

采用各向异性体平面弹性理论中的复势方法,以Faber级数为工具,应用保角映射技术和最小二乘边界配点法,导出内边界条件精确满足,外边界条件近似满足的含多椭圆孔及裂纹群有限大板在任意载荷作用下的应力场、位移场的级数解,建立了任意多椭圆孔及裂纹群有限大板应力强度因子的有效分析方法,讨论了各参数对裂尖应力强度因子及孔边应力集中的影响．数值结果表明,该方法具有计算精度高、收敛速度快、方便快捷等优点,有利于全面系统地研究各参数对结构断裂性能的影响．     

界面裂纹问题中的通用权函数法

热载荷和机械载荷共同作用下复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处.传统求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子的数值方法(如有限元、边界元法等),计算工作量大、效率低.通用权函数与时间无关,运用通用权函数法可以免除对每个时刻的应力分析,计算效率可得到很大提高.本文将通用权函数法推广到求解热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子过渡过程的问题中,推导出求解平面双材料界面裂纹问题应力强度因子的通用权函数法计算格式.基于此格式,计算热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子.通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到与相互作用积分法相当的工程应用精度.最后,应用此方法研究了热障涂层受热冲击及表面力共同作用时裂纹长度以及涂层厚度对应力强度因子的影响.结果表明:在一定边界条件下,当热障涂层中存在边缘裂纹时,随着涂层厚度的增加,更容易导致裂纹的扩展和涂层的剥落.     

各向异性双材料界面裂纹扩展裂尖场

应用界面断裂力学理论和Stroh方法,研究了广义平面变形下动态裂纹沿着各向异性双材料界面扩展时的裂尖奇异应力及动态应力强度因子.双材料界面的动态裂尖区域特性主要由两个实矩阵W和D确定,且裂尖奇异应力和动态应力强度因子可以由包含这两个矩阵的柯西奇异积分方程确定,同时给出了动态应力强度因子和能量释放率的显示表达式.算例得出当裂纹以小速度扩展时,裂尖振荡因子ε与静态时几乎相同,当界面裂纹扩展速度接近瑞利波速时,ε趋于无穷大;同时得出应力强度因子及能量释放率随裂纹扩展速度的变化关系.     

关于某些蠕变理論的实驗驗証

木文是利用45号鋼在500℃,不同的应力下所得到的蠕变曲线驗证了几种比较典型的蠕变理論,即硬化理論——f(σ,ε_p,ε_p)=0;时效理論——f(σ,ε_p,t)=0;塑性滞后理论—γ(ε) σ(f)+∫_0~t K(l—i)σ(i)di. 并对对結果作了一些分析。 本文并叙述了验证这些理论的简单方法。     

Establishing strain response model of vibrational structure by strain modal analysis approach

An analysis of the stress field under a dynamic load in strength design and fatigue life estimation is a topic of great importance. Based on the theory of vibrational displacement modal analysis, the principle and techniques of vibrational strain modal analysis are developed. The peculiarities of the strain transfer function matrix, the test approaches of it and the relation with the displacement transfer function are expounded. Resistance strain gauges are used to measure the strain transfer function and the modal parameters are identified on this basis. After that, the strain response expression and thereby the stress response expression are obtained.     

Determining plastic properties of a material with residual stress by using conical indentation

Instrumented indentation is a popular method for determining mechanical properties in engineering materials. However, there are several shortcomings and challenges involved with correctly interpreting the test results. We propose here a unified method for evaluating instrumented indentation testing conducted on a material that exhibits both strain hardening under yielding and which is subjected to uniform, equi-biaxial residual stresses. The proposed method is based on extensive finite element simulations that relate the parameter-space spanned by Young’s modulus, yield strength, strain hardening and residual stress, to the response from the indentation test. Based on reverse analysis, the proposed method can be used to determine two unknown quantities, such as yield strength and strain hardening. The technique involves utilizing the concept of representative strain and plural indenter-shapes.     

静动组合载荷下混凝土率效应机理及强度准则

混凝土结构在受到动载荷作用之前,通常已承受着初始静载荷的作用.大量关于混凝土应变率效应的研究均没有考虑初始静载荷对动强度的影响,会导致过高地估计混凝土的动强度,使混凝土结构设计偏于危险.本文通过分析混凝土材料在静动组合载荷下的率效应机理,给出了初始静载荷的定义.在此基础上,推导了混凝土材料参数与初始静载荷和应变率的表达式,提出了建立静动组合强度准则的一般方法.通过材料参数反映初始静载荷与应变率的联合影响,给出了由初始有效静载荷、动态黏聚强度和摩擦强度共同组成的混凝土动态强度,将广义非线性强度准则发展为静动组合多轴强度准则.建立的强度面在相同初始静载荷下随应变率的增大向外扩张,在相同应变率下随初始静载荷的增大向里收缩,即混凝土的强度在相同初始静载荷下随应变率的增大而增大,在相同应变率下随初始静载荷的增大而减小.此外,当初始静载荷和应变率不变时,加载路径对混凝土材料的应变率效应无影响,但会影响混凝土材料的静水压力效应,即当初始静载荷和应变率固定不变时,静动组合强度面的位置和大小即可确定,不同加载路径下强度的不同是由于静水压力效应导致的.最后利用多组混凝土材料静动组合强度试验对建立的静动组合强度准则进行了验证.     

正交各向异性韧性材料应力-应变关系

采用大变形弹塑性有限元方法分析了各向同性和正交各向异性韧性材料光滑圆棒拉伸试件的颈缩问题．首先给出了采用计算机模拟确定各向同性韧性材料真实应力-应变曲线的具体方法；对正交各向异性韧性材料的分析表明，颈缩截面呈椭圆形，其长短轴方向的等效塑性应变基本上均匀分布，与Bridgman假设一致；轴向拉伸载荷-位移曲线与其它两方向的各向异性参数关系不大．在此基础上，建议了一种确定正交各向异性韧性材料真实应力-应变曲线的方法．     

Characterization of macroscopic tensile strength of polycrystalline metals with two-scale finite element analysis

The objective of this contribution is to develop an elastic-plastic-damage constitutive model for crystal grain and to incorporate it with two-scale finite element analyses based on mathematical homogenization method, in order to characterize the macroscopic tensile strength of polycrystalline metals. More specifically, the constitutive model for single crystal is obtained by combining hyperelasticity, a rate-independent single crystal plasticity and a continuum damage model. The evolution equations, stress update algorithm and consistent tangent are derived within the framework of standard elastoplasticity at finite strain. By employing two-scale finite element analysis, the ductile behaviour of polycrystalline metals and corresponding tensile strength are evaluated. The importance of finite element formulation is examined by comparing performance of several finite elements and their convergence behaviour is assessed with mesh refinement. Finally, the grain size effect on yield and tensile strength is analysed in order to illustrate the versatility of the proposed two-scale model.     

Strength of cylinder joint adhesively bonded by coupling

Summary A method of joining two metal cylindrical shafts with adhesive coupling is proposed. Two cylindrical shafts with the same diameter are connected by bonding through a cylindrical coupling with epoxy resin. The strength of the shaft joint under tensile loading and torsional loading is investigated analytically and experimentally. The stress and strain distributions of the shaft joint is analyzed by the finite element method. The analyzed strain distributions in the joint are compared with experimental values. The joint strength is predicted by applying the strength laws of shafts, coupling, adhesive layer and adhesive interface between shaft and adhesive coupling. The effects of the coupling dimension on the joint strength are examined. It is shown that the adhesive shaft joint can transfer the load by which the cylindrical shafts are plastically deformed.This paper was refined by the author, K. Ikegami, during statying at Technische Universität München under the support of Deutscher Akademischer Austauschdients. The author is grateful to Professor Lippmann of Technische Universität München who is the host professor of the support.     

Evaluation of the stress–strain curve of metallic materials by spherical indentation

A method for deducing the stress–strain uniaxial properties of metallic materials from instrumented spherical indentation is presented along with an experimental verification.An extensive finite element parametric analysis of the spherical indentation was performed in order to generate a database of load vs. depth of penetration curves for classes of materials selected in order to represent the metals commonly employed in structural applications. The stress–strain curves of the materials were represented with three parameters: the Young modulus for the elastic regime, the stress of proportionality limit and the strain-hardening coefficient for the elastic–plastic regime.The indentation curves simulated by the finite element analyses were fitted in order to obtain a continuous function which can produce accurate load vs. depth curves for any combination of the constitutive elastic–plastic parameters. On the basis of this continuous function, an optimization algorithm was then employed to deduce the material elastic–plastic parameters and the related stress–strain curve when the measured load vs. depth curve is available by an instrumented spherical indentation test.The proposed method was verified by comparing the predicted stress–strain curves with those directly measured for several metallic alloys having different mechanical properties.This result confirms the possibility to deduce the complete stress–strain curve of a metal alloy with good accuracy by a properly conducted instrumented spherical indentation test and a suitable interpretation technique of the measured quantities.     

梁柱不同混凝土强度的高层框架节点试验和有限元分析

高层框架结构设计时，梁板与柱常常会采用不同的混凝土强度等级，柱的混凝土强度等级往往高于梁板。对于梁柱的节点，一般多采用与柱相同的强度等级，这给施工带来很大麻烦，如果采用与梁板相同强度等级混凝土时。虽然方便了施工，但降低了节点的抗震性能。本文的研究是通过对此类节点采取加强措施，以弥补混凝土强度等级降低的不利影响。通过节点模型试验，研究其受力性能及破坏机理，验证加强措施的有效性。并在试验研究的基础上，用有限元方法对受力复杂的节点进行分析，结果表明节点区混凝土存在应力集中和应力扩散现象以及存在混凝土侧向受拉的现象．证实了梁加腋和增设X型钢筋后节点受力性能得到了改善和加强。这些研究成果对目前高层建筑梁柱节点采用不同混凝土强度等级的设计、施工提供了有益的参考。     

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

叶片榫头接触应力的求解研究

接触应力分析是不易检测、难于计算，但对于设计又是非常重要的一个难题。文中将实验检测技术与数值计算方法相结合，求解飞机发动机叶片榫头上的接触应力分布。基本思路是：1)用实验检测技术求出叶片榫头接触面上若干点的应力或应变值；2)通过给叶片根部接触面施加一定的约束条件，用数值计算法计算发动机叶片在离心力载荷作用下的全场应力分布，并进一步求出接触面上的接触应力分布；3)解除接触面上的约束条件，代之以计算获得的接触载荷，计算叶片在离心力载荷以及接触载荷共同作用下的全场应力或应变分布，并比较计算结果与实验结果；4)修改约束条件或计算模型，重复上述操作，直至计算结果与实验结果比较一致。研究表明，本文提出的方法能够较准确地给出接触面的载荷分布，判断约束条件的合理性具有简单、易行的特点。由于接触应力的复杂性，本问题还有深入研究的必要。