基于内聚力模型的白点萌生机理研究

基于内聚力理论、氢压理论和应力作用下氢富集理论,在以往孔洞锻合研究的基础上,建立了白点萌生扩展的有限元分析模型。研究了初始氢浓度、裂纹长度以及多裂纹耦合作用等多种因素对白点萌生的影响,确定了不同条件下白点萌生的临界氢浓度及其变化趋势。结果表明,氢对白点萌生具有重要的影响,在白点萌生过程中,高浓度的氢聚集在裂纹端部,极大地降低了钢的内聚力强度;对于单裂纹,随着裂纹长度的增加,白点萌生的临界氢浓度逐渐减小并趋于稳定值;当多个密集小裂纹同时存在时,裂纹间的耦合效应会导致小裂纹有贯穿形成大裂纹的趋势,而远端裂纹的耦合效应则相对较小;对于多裂纹,白点萌生临界氢浓度具有随裂纹个数的增加而线性递减的趋势。     

基于弹性-塑性内聚力模型的纤维拔出界面宏观行为分析

用解析法分析了单纤维从聚合物基体中的拔出过程,采用弹性—塑性内聚力模型模拟裂纹的扩展和界面失效,确定了临界纤维埋入长度,该值区分两种不同长度的纤维拔出过程. 在纤维拔出过程,界面经历不同的阶段. 纤维埋长小于临界长度时,界面的脱粘载荷与纤维的埋长成正比;超过临界长度后,界面的脱粘载荷近似为常数. 分析了界面参数对脱粘载荷的影响:增加界面的剪切强度和界面的断裂韧性,或减小界面裂纹萌生位移,均能提高界面的脱粘载荷;界面脱粘后无界面摩擦应力时,拔出载荷—位移曲线的峰值载荷等于界面的脱粘载荷;界面摩擦应力存在时,使峰值载荷大于脱粘载荷,需要较长的纤维埋入长度和较大的界面摩擦应力.      

电可通纳米尺度孔边均布多裂纹的电弹断裂分析

解析研究了面内电载荷和反平面机械载荷作用下压电体中纳米尺度圆孔边均布电可通多裂纹问题的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论,利用保角映射方法和复变弹性理论给出了裂纹尖端电弹场分布、电弹场强度因子及能量释放率的解析结果。阐述了无量纲电弹场强度因子、无量纲能量释放率的尺寸依赖效应,讨论了裂纹数量和缺陷几何参数对无量纲场强度因子和无量纲能量释放率的影响。结果表明：无量纲电弹场强度因子和无量纲能量释放率具有显著的尺寸依赖效应;考虑表面效应,孔径和裂纹长度相当时,电弹场强度因子达到最大;裂纹/孔径比对电弹场强度因子随裂纹数量变化的制约会随着裂纹数量的增加而逐渐消失;过大或过小的裂纹孔径比会削弱裂纹长度对能量释放率的影响。     

电可通纳米尺度孔边均布多裂纹的电弹断裂分析

解析研究了面内电载荷和反平面机械载荷作用下压电体中纳米尺度圆孔边均布电可通多裂纹问题的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论,利用保角映射方法和复变弹性理论给出了裂纹尖端电弹场分布、电弹场强度因子及能量释放率的解析结果。阐述了无量纲电弹场强度因子、无量纲能量释放率的尺寸依赖效应,讨论了裂纹数量和缺陷几何参数对无量纲场强度因子和无量纲能量释放率的影响。结果表明：无量纲电弹场强度因子和无量纲能量释放率具有显著的尺寸依赖效应;考虑表面效应,孔径和裂纹长度相当时,电弹场强度因子达到最大;裂纹/孔径比对电弹场强度因子随裂纹数量变化的制约会随着裂纹数量的增加而逐渐消失;过大或过小的裂纹孔径比会削弱裂纹长度对能量释放率的影响。     

含旋转运动效应裂纹梁横向振动特性的研究

针对开口裂纹作用下旋转运动欧拉-伯努力梁的振动特性进行了研究。文中使用裂纹梁连续等效刚度模型模拟裂纹效应,将含裂纹旋转运动梁视为弯曲刚度沿梁长度方向连续变化的梁,并应用传递矩阵法推导了求解其振动特性的特征方程。考虑不同裂纹深度和位置、不同旋转速度,分析了梁的一阶和二阶固有频率的变化情况。研究结果表明:旋转运动效应和裂纹效应并非独立影响梁的固有频率,两者间具有耦合作用效应;转速提升使由裂纹导致的频率衰减幅度变小,同时裂纹加深使得由速度升高带来的阶频提升更加显著;相比于二阶频率,耦合作用效应对于一阶频率更加显著。     

柱状电极屈曲或裂纹扩展的临界力学参数研究

柱形结构电极是近年来使用最为广泛的锂电池电极结构之一．本文以硅材料细长柱形电极为例，研究了充电电流大小、电极长径比、初始裂纹长度以及断裂韧性对于电极的屈曲现象和裂纹扩展现象发生时间的影响．计算结果表明，屈曲与裂纹扩展现象出现的先后顺序与充电电流大小无关；具有小的长径比，大的初始裂纹长度以及较小断裂韧性的电极，裂纹扩展比屈曲现象更早发生．对于硅材料，不同长径比的电极具有不同临界断裂韧性值，当材料的断裂韧性小于该临界值，在锂化过程中裂纹扩展会先于屈曲现象发生；该临界断裂韧性值随初始裂纹长度的增加而增加．本文的结论对于电极的结构设计以及材料选取具有一定指导意义．     

干态下车轮材料表面疲劳裂纹萌生试验研究

利用WR-1轮轨滚动磨损试验机,结合安定极限理论研究了干态下影响车轮材料表面疲劳裂纹萌生与扩展的因素,探究了表面疲劳损伤形成机理和演变规律.结果表明:随垂向力、横向力和冲角增大,表面疲劳裂纹越容易萌生扩展;冲角对表面疲劳裂纹的萌生与扩展起着重要作用,大冲角下斜线状表面疲劳裂纹萌生扩展明显;只有横向力而不存在冲角时,试样表面不会出现斜线状表面疲劳损伤;车轮试样在周期性循环载荷作用下在表面先形成塑性流动,然后沿轮轨表面切向力方向扩展成斜线状的表面疲劳起皮剥落损伤;垂向力是影响表面裂纹萌生时间的重要因素之一.     

单裂隙岩体水力裂缝扩展机理的数值模拟

应用真实破裂过程分析系统软件RFPA2D2.0-Flow,采用细观方法表达岩石材料非均匀特性,建立了渗流-应力-损伤耦合模型;模拟分析了裂隙岩体在具有不同角度、不同长度、天然裂隙中点与井孔之间不同间距的单一天然裂隙条件下的水压致裂过程;通过对模型内拉伸裂缝萌生及扩展的描述,得出了天然裂隙角度、长度、天然裂隙中点与井孔的间距对裂隙岩体内水力裂纹的扩展及与天然裂隙相交模式的影响趋势。模拟分析结果表明:天然裂隙角度对模型稳定性影响较小,但对裂纹扩展模式的影响较大;天然裂隙与井孔间距的减小使模型的失稳水压值随着裂隙角度的增加而逐渐增大,但最大值与间距未减小时基本相同;随着天然裂隙长度的增加,模型的承载能力逐渐减弱,且减弱的幅度逐渐增大。     

柔性基底上含过渡层纳米薄膜在双向拉伸下断裂损伤的实验研究

含过渡层的柔性基底薄膜的力学性能对现代电子元器件的广泛应用至关重要,对其力学性能的深入研究变得极为迫切。本文针对其在双向拉伸载荷下的断裂损伤进行了实验研究。对125μm聚酰亚胺上沉积的不同薄膜结构进行不同加载比下的双轴拉伸实验,通过光学显微镜观察裂纹演化过程与饱和裂纹形态。根据最小应变能密度因子理论对裂纹演化的开裂角度进行了理论分析,用有限元分析了加载比例和过渡层泊松比对结构各层双向应力比传递的影响,并在不同薄膜结构和加载比下,对裂纹演化应变进行了比较。研究结果表明,在双向拉伸载荷作用下,薄膜裂纹呈现出网状分布,裂纹演化角度与加载比、裂纹初始角度相关;一级裂纹萌生的临界应变随着加载比降低而降低,二级及以上裂纹萌生的临界应变与各级裂纹的饱和应变随加载比降低而升高;在等双轴拉伸下,不同薄膜结构的含过渡层柔性基底薄膜一级裂纹的临界应变基本一致,二级及以上裂纹的临界应变显现明显差异。     

考虑表面弹性效应时正三角形孔边裂纹反平面剪切问题的断裂力学分析

基于表面弹性理论和保角映射技术,研究了远场作用反平面剪切载荷作用下考虑表面弹性效应时正三角形孔边裂纹问题的断裂性能.给出了孔边应力场的精确解,获得了裂纹尖端应力强度因子的解析解答.数值算例中讨论了裂尖应力强度因子随三角形孔尺寸、裂纹长度和表面性能的变化规律.结果表明:当三角形孔的尺寸在纳米量级时,无量纲应力强度因子具有显著的尺寸效应;随着三角形孔尺寸的增大,论文结果趋近于经典断裂理论解答;无量纲应力强度因子随孔边裂纹长度的增加,先增大而后减小;当孔边裂纹长度较小时,表面效应影响较弱;应力强度因子的尺寸效应受表面性能影响显著.     

A quantum-mechanically informed continuum model of hydrogen embrittlement

We present a model of hydrogen embrittlement based upon: (i) a cohesive law dependent on impurity coverage that is calculated from first principles; (ii) a stress-assisted diffusion equation with appropriate boundary conditions accounting for the environment; (iii) a static continuum analysis of crack growth including plasticity; and (iv) the Langmuir relation determining the impurity coverage from its bulk concentration. We consider the effect of the following parameters: yield strength, stress intensity factor, hydrogen concentration in the environment, and temperature. The calculations reproduce the following experimental trends: (i) time to initiation and its dependence on yield strength and stress intensity factor; (ii) finite crack jump at initiation; (iii) intermittent crack growth; (iv) stages I and II of crack growth and their dependence on yield strength; (v) the effect of the environmental impurity concentration on the threshold stress intensity factor; and (vi) the effect of temperature on stage II crack velocity in the low-temperature range. In addition, the theoretically and experimentally observed intermittent cracking may be understood as being due to a time lag in the diffusion of hydrogen towards the cohesive zone, since a buildup of hydrogen is necessary in order for the crack to advance. The predictions of the model are in good quantitative agreement with available measurements, suggesting that hydrogen-induced degradation of cohesion is a likely mechanism for hydrogen-assisted cracking.     

Investigation on critical triaxiality along unified yield loci at crack tip under mixed mode (I + II) fracture

Metallic components used in industries and day to day appliances often contain micro-cracks. In general, cracks occur in various orientations to the loading axis. The present paper discusses the criticality of stress triaxiality, a well-known ductile fracture parameter, on the yield loci at the crack tip. In the process, an old model of stress triaxiality has been generalized using unified strength theory to incorporate various convex and nonconvex failure criteria, including single shear, twin shear, etc. The new triaxiality model also reveals about the effect of intermediate principal stress at the crack tip for materials with and without strength difference. The crack initiation angles at the crack tip, obtained through the proposed model have been found to be in unison with those obtained through other fracture criteria.     

Simulation of local instabilities during crack propagation in the ductile–brittle transition region

The crack propagation for a cohesive zone model within an elastic-plastic material under small-scale yielding conditions is simulated numerically. The resulting crack growth resistance curves show local instabilities, so-called pop-ins even for homogeneous cohesive properties if the cohesive strength lies sufficiently close to the maximum stress of the corresponding blunting solution. The formation of secondary cracks and unloading zones in front of the actual crack tip is identified as the underlying mechanism. It is found that the shape of the cohesive law has a considerable influence on the crack arrest behavior. Furthermore, requirements to the mesh resolution are derived.     

脆性固体中内聚断裂点阵列的扩张行为及间隔影响

建立一个一维模型, 分析脆性材料中多个等间距虚拟断裂点在均匀应变率拉伸作用下的扩张断裂过程. 采用线弹性波动方程组描述材料内部动力学关系, 采用线性内聚力断裂模型(linear cohesive fracture model)描述虚拟断裂点的扩张行为, 根据初始均匀拉伸条件和虚拟裂纹等间距假设给出定解条件, 形成一个初边值问题. 采用Laplace变换方法求解控制方程组, 得到虚拟断裂点扩张过程中内聚应力随时间变化曲线, 以及发生完全断裂的临界时间和单位裂纹体(碎片)的临界膨胀位移. 在此基础上分析应变率和裂纹间距对碎裂发生时间及单元裂纹体临界膨胀位移的影响. 在假设脆性材料在自然碎裂过程中单元裂纹体临界膨胀位移最小的基础上,进一步研究应变率对碎片尺度的影响.      

空孔对直眼掏槽参数及爆破效果的影响研究

为解决含空孔直眼掏槽中炮孔间距、炮孔与空孔距离的确定问题,首先,从爆生气体膨胀做功致裂岩体和空孔效应入手,推导了爆生裂纹的长度计算公式,确定了掏槽炮孔间距a和炮孔与空孔距离L的计算公式,得到了大空孔直眼掏槽空孔处片裂区长度公式,确立了应力集中作用下空孔迎爆侧径向裂纹产生的判据;然后,以灰岩(硬岩)和泥岩(软岩)对比分析了不同设计思想下的爆破参数和掏槽效果;最后,结合工程实践验证了理论分析的可靠性。结果表明:不同设计思想下,含空孔直眼掏槽的爆破破岩机理不同,以a为主时,相邻炮孔间裂纹的贯通是形成槽腔的关键,而以L为主且考虑空孔效应时,炮孔与空孔优先贯通形成槽腔。硬、软岩中应力波(动作用)与爆生气体(静作用)对爆生裂纹长度的贡献率约为4∶1和9∶1,空孔效应导致的软岩的片裂区大于硬岩的,爆破参数设计时应重点考虑;而空孔处产生径向裂纹的临界距离均小于炮孔爆生裂纹长度与空孔半径之和,因此不会产生径向裂纹,爆破参数设计时可不予考虑。以上结果说明,不同设计思想对槽腔掏槽爆破参数和槽腔爆破效果影响较大,基于爆生气体致裂的爆生裂纹长度计算模型可为爆破参数设计提供参考。     

Evaluation of fracture behavior of iron aluminides

Comparative fracture tests of three Fe-28%Al iron aluminides showed that alloys with Zr and C addition (FA-187) or with B, Zr, and C addition (FA-189) are extrinsically more susceptible to environmental embrittlement than the base ternary alloy (FA-186) under constant tensile loading condition. This may be caused by the variations of grain boundary morphology (i.e. changes of grain size and grain boundary cohesive strength) caused by the alloy addition. The effect of grain boundary size and cohesive strength are further investigated with reference to the susceptibility of hydrogen embrittlement. Finite element simulation of initial intergranular fracture of two iron aluminides (FA-186 and FA-189) are made. The computational scheme involves coupling the stress and mass diffusion analyses to determine crack-tip stress state and the crack tip hydrogen diffusion. Maximum strain failure criteria was adopted to simulate intergranular fracture. The numerical modeling results correlated well with the experimental data. The result further confirmed that the grain boundary morphology is important as it appears to control the intrinsic and extrinsic fracture behavior of iron aluminides.