T应力对光弹性条纹影响的理论分析

以裂尖弹性应力场的多参数模型为基础,研究I型、II型以及I/II混合型裂纹参数对光弹性条纹的影响. T应力的存在和符号影响着等色线条纹环的半径大小和旋转方向,对于纯I型或II型裂纹而言,条纹环的旋转角度只与T应力有关;而对于I/II混合型裂纹,条纹环旋转角度与K_{\rm I}, K_{\rm II}和T应力有关. T应力的存在使得I型裂纹在裂尖±π/3方向上出现2个各向同性点(T应力为正时),使得II型裂纹在裂尖后的裂纹面上出现1个各向同性点. 对于I/II混合型裂纹而言,当T应力为正时等倾线出现距裂尖半径不等的3个各向同性点;反之, T应力为负时在裂尖后只存在1个各向同性点,这些各向同性点分别与I型和II型裂纹情况具有相同的规律.      

双材料界面裂纹复应力强度因子的正则化边界元法

双材料界面裂纹渐近位移和应力场表现出剧烈的振荡特性, 许多用于表征经典平方根($r^{1/2})$和负平方根($r^{-1/2})$渐近物理场的传统数值方法失效, 给界面裂纹复应力强度因子($K_{1} +{i}K_{2} )$的精确求解增加了难度. 引入一种含有复振荡因子的新型"特殊裂尖单元", 可精确表征裂纹尖端渐近位移和应力场的振荡特性, 在避免裂尖区域高密度网格剖分的情况下, 可实现双材料界面裂纹复应力强度因子的精确求解. 此外, 结合边界元法中计算近奇异积分的正则化算法, 成功求解了大尺寸比(超薄)双材料界面裂纹的断裂力学参数. 数值算例表明, 所提算法稳定, 效率高, 在不增加计算量的前提下, 显著提高了裂尖近场力学参量和断裂力学参数的求解精度和数值稳定性.      

单元类型和尺寸对裂尖疲劳塑性数值模拟的影响研究

本文采用Jiang-Sehitoglu循环塑性模型和多轴疲劳准则对紧凑拉伸式样裂尖的循环塑性变形、裂纹扩展速率和残余应力进行了有限元数值模拟,着重考察了单元的类型和最小单元尺寸对裂尖循环塑性和裂纹扩展速率的影响.紧凑拉伸试样的材料为1070钢,数值模拟采用了线性单元(四节点)和二次单元(八节点)两种单元,裂尖附近有限元单元的最小尺寸从0.007mm到0.24mm不等.文中将裂纹扩展速率的预测值与实验值进行了比较,通过对裂纹扩展速率的比较,确定在疲劳塑性分析时对单元类型和尺寸进行合理选取.     

基于数字散斑相关方法测定Ⅰ型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字散斑相关方法测定金属材料Ⅰ型裂纹尖端位置和应力强度因子的实验方法.实验采用疲劳试验机对含Ⅰ型缺口的Cr12MoV钢试件预制裂纹,通过数字散斑相关方法测试试件在三点弯曲加载条件下裂纹的扩展过程及裂尖区域的位移场.将位移场数据代入裂尖位移场方程组,采用牛顿-拉普森方法求解含未知参量的裂尖非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子.实验结果表明,采用该方法可以准确地测定金属材料Ⅰ型裂纹应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法准确计算Ⅰ型裂纹裂尖断裂参数的难题,揭示了金属材料裂纹扩展过程中应力强度因子演化特征.     

Creep crack-tip constraint effect in high temperature structures

如何对蠕变裂纹扩展寿命进行准确预测和评价是高温结构完整性评定、寿命设计和运行维护中需要解决的核心问题.基于宏观单参数C^*的蠕变断裂行为的评价方法,未有效纳入裂尖拘束效应的影响,因而其评价结果过于保守或非保守.目前国内外还未建立起有效纳入裂尖拘束效应的高温结构蠕变寿命评价的理论体系和技术方法,还没有纳入蠕变拘束效应的高温结构完整性评定规范.本文综述了作者近年来在高温蠕变断裂拘束效应方面的研究工作.主要包括：裂尖拘束对材料蠕变裂纹扩展行为的影响及机理;蠕变裂尖场和拘束参数R的定义和影响因素;载荷无关的蠕变拘束参数R^*的提出及其应用基础;承压管道表面裂纹的拘束参数R^*解及纳入裂尖拘束的蠕变寿命评价方法;试样与管道轴向裂纹蠕变裂尖拘束的关联;基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外蠕变裂尖拘束的统一表征参数A_c的研究;材料拘束相关的蠕变裂纹扩展速率的建立;宽范围C^*区蠕变裂纹扩展速率及其拘束效应的数值预测;材料拘束对焊接接头蠕变裂纹扩展行为的影响及机理等.这些研究为建立纳入裂尖拘束效应的高温部件的蠕变裂纹扩展寿命评价方法奠定了理论和技术基础.论文对后续拟开展的工作也进行了展望.     

高温结构蠕变裂尖拘束效应

如何对蠕变裂纹扩展寿命进行准确预测和评价是高温结构完整性评定、寿命设计和运行维护中需要解决的核心问题.基于宏观单参数C~*的蠕变断裂行为的评价方法,未有效纳入裂尖拘束效应的影响,因而其评价结果过于保守或非保守.目前国内外还未建立起有效纳入裂尖拘束效应的高温结构蠕变寿命评价的理论体系和技术方法,还没有纳入蠕变拘束效应的高温结构完整性评定规范.本文综述了作者近年来在高温蠕变断裂拘束效应方面的研究工作.主要包括:裂尖拘束对材料蠕变裂纹扩展行为的影响及机理;蠕变裂尖场和拘束参数R的定义和影响因素;载荷无关的蠕变拘束参数R~*的提出及其应用基础;承压管道表面裂纹的拘束参数R~*解及纳入裂尖拘束的蠕变寿命评价方法;试样与管道轴向裂纹蠕变裂尖拘束的关联;基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外蠕变裂尖拘束的统一表征参数A_c的研究;材料拘束相关的蠕变裂纹扩展速率的建立;宽范围C~*区蠕变裂纹扩展速率及其拘束效应的数值预测;材料拘束对焊接接头蠕变裂纹扩展行为的影响及机理等.这些研究为建立纳入裂尖拘束效应的高温部件的蠕变裂纹扩展寿命评价方法奠定了理论和技术基础.论文对后续拟开展的工作也进行了展望.     

高温结构蠕变裂尖拘束效应

如何对蠕变裂纹扩展寿命进行准确预测和评价是高温结构完整性评定、寿命设计和运行维护中需要解决的核心问题.基于宏观单参数C?的蠕变断裂行为的评价方法,未有效纳入裂尖拘束效应的影响,因而其评价结果过于保守或非保守.目前国内外还未建立起有效纳入裂尖拘束效应的高温结构蠕变寿命评价的理论体系和技术方法,还没有纳入蠕变拘束效应的高温结构完整性评定规范.本文综述了作者近年来在高温蠕变断裂拘束效应方面的研究工作.主要包括:裂尖拘束对材料蠕变裂纹扩展行为的影响及机理;蠕变裂尖场和拘束参数R的定义和影响因素;载荷无关的蠕变拘束参数R? 的提出及其应用基础;承压管道表面裂纹的拘束参数R? 解及纳入裂尖拘束的蠕变寿命评价方法;试样与管道轴向裂纹蠕变裂尖拘束的关联;基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外蠕变裂尖拘束的统一表征参数Ac的研究;材料拘束相关的蠕变裂纹扩展速率的建立;宽范围C? 区蠕变裂纹扩展速率及其拘束效应的数值预测;材料拘束对焊接接头蠕变裂纹扩展行为的影响及机理等.这些研究为建立纳入裂尖拘束效应的高温部件的蠕变裂纹扩展寿命评价方法奠定了理论和技术基础.论文对后续拟开展的工作也进行了展望.     

弹性T项对裂尖参数和裂纹扩展路径稳定性的作用

研究了弹性T项在主裂纹与近裂尖微空洞干涉问题中对裂尖参数和裂纹扩展路径稳定性的影响作用.利用“伪力”法,并通过解决主裂纹与近裂尖微空洞干涉问题,对远场纯1型载荷和远场弹性T项载荷下,该干涉问题中弹性T项的影响作用进行了分析从数值结果可以看出：由于空洞的存在;释放了弹性T项所引起的应力,弹性T项对裂尖参数;应力强度因子和J积分都有直接显著的影响,因而,它对该载荷下的裂纹扩展路径的稳定性有控制作用。     

双压电体界面上的电偶极子和裂纹

求得了压电体双材料界面上的孤立二维电偶极子的解析解,结果表明某点电偶极子激发的应力一电位移场与该点到电偶极子的距离的平方成反比.研究了压电体双材料界面上的电偶极子对裂纹的作用,得到了问题的闭合解.在电偶极子的作用下,界面裂纹裂尖近区应力-电位移仍具有r-1/2+iεα的振荡奇异性,文中求得裂尖应力强度因子,当电偶极子距裂尖距离ρ很近时,裂尖应力强度因子与ρ-3/2-iεα成比例.     

铁中Ⅰ型裂纹裂尖场与裂尖形变机制分析

应用有限元及连续介质力学计算了平面应交条件下体心立方铁中不同取向裂纹的裂尖应力场和弹性应变能密度分布,从宏微观相结合角度分析了裂尖场分布与裂尖微结构演化的相互关联.指出裂尖塑性变形的具体形式与裂尖滑移面上分切应力的大小密切相关,并从能量角度解释了裂尖相变产生的原因,最后结合相关分子动力学研究成果探讨了裂尖奇异性区域.     

微小区域高应变的测定(Ⅱ)——裂纹顶端应变的测定

作者采用金相法,测定了微小区域内的高应变.本文是其第二部分,裂纹顶端应变分布的测定.对于静止裂纹,试样心部(平面应变)裂纹顶端应变分布可表示为s=0.14(x/δ)~(0.64);对于扩展裂纹,若以裂尖为原点,则裂纹顶端应变分布可表示为s=0.7 5exp(-38x).     

压电体中裂纹与孤立电偶极子的相互作用

研究压电体裂纹与电偶极子的相互作用,得到问题的闭合解,包括应力-电位移场,裂纹张开位移和电势差,以及裂尖应力强度因子,结果表明,电偶极子的方向对裂纹场的影响可由压电体各向异性方向函数表示;当电偶极子位于裂尖附近时,在原点取在裂尖的局部极坐标系中电偶极子位置的极角对裂尖场的影响可由各向异性方向函数表示,电偶极子引起的裂尖应力强度因子与其距裂尖的距离的-3/2次幂成正比。     

微小区域高应变的测定(Ⅱ)——裂纹顶端应变的测定

作者采用金相法,测定了微小区域内的高应变.本文是其第二部分,裂纹顶端应变分布的测定.对于静止裂纹,试样心部(平面应变)裂纹顶端应变分布可表示为s=0.14(x/δ)~(0.64);对于扩展裂纹,若以裂尖为原点,则裂纹顶端应变分布可表示为s=0.7 5exp(-38x).     

三点弯曲试样动态应力强度因子计算研究

利用Hopkinson压杆对三点弯曲试样进行冲击加载,采集了垂直裂纹面距裂尖2mm和与裂纹面成60°距裂尖5mm处的应变信号。根据裂尖附近测试的应变信号计算试样的动态应力强度因子,并与有限元计算结果进行比较,结果表明由于裂尖有一段疲劳裂纹区,通过裂尖附近应变信号来计算动态应力强度因子时,如果裂尖位置确定不准及粘贴应变片位置不够准确对计算结果将带来很大影响。因此利用应变片法计算动态应力强度因子时,为了获得更准确的计算结果,在实验后应对试件裂纹面进行分析测量,重新确定裂尖位置,必要时需对应变片至裂尖距离进行修正后再计算动态应力强度因子值。     

基于新型裂尖杂交元的压电材料断裂力学研究

提出了一种裂尖邻域杂交元模型，将其与标准杂交应力元结合来求解压电材料裂纹尖 端的奇性电弹场和断裂参数的数值解．裂纹尖端杂交元的建立步骤为：1) 利用高次内插有限元特征法求解特征问题，得到反映裂尖奇异性电弹场状况的特 征值和特征角分布函数；2) 利用广义Hellinger-Reissner变分泛函以及特征问题的解来建立裂尖邻域杂交元模型．该 方法求解电弹场时，摒弃了传统有限元方法中裂尖奇异性场需要借助解析解的做法，也避免 了单纯有限元方法中需要在裂尖端部进行高密度单元划分．采用PZT5板中心裂纹问题 作为考核例，数值结果显示了良好的精确性．作为进一步应用，求解了含中心界面裂纹 的PZT4-PZT5两相压电材料的应力强度因子和电位移强度因子．所有的算例都考虑 了3种裂纹面电边界条件．     

孔洞对平面裂纹应力强度因子影响分析的广义参数Williams单元

本文采用圆形奇异区广义参数Williams单元（W单元）建立了中心裂纹与圆孔共存的平面应力模型,奇异区外围利用ABAQUS有限元软件自动网格离散技术与FORTRAN95编程前处理相结合,克服了自主编程中网格离散的局限性．算例分析了圆孔位置和几何参数对I-II混合型裂纹尖端应力强度因子(SIFs)的影响,并与扩展有限元法(XFEM)计算结果进行比较．结果表明：靠近圆孔一侧的裂尖SIFs大于远离圆孔一侧的裂尖SIFs;控制圆孔左边缘到裂纹中心的距离,则两侧裂尖SIFs随圆孔半径的增大而增大;圆孔中心与裂纹中心水平距离越远,圆孔对裂纹扩展的影响越小．同时,基于圆形奇异区的W单元直接计算得到的裂尖SIFs与扩展有限元法得到的解吻合较好,证明了W单元对奇异区离散形状不敏感,且具有高效率和高精度．     

扩展数字图像相关方法中裂尖位移函数的表征研究

探寻适用于扩展数字图像相关方法(X-DIC)的裂纹尖端位移函数,对于提高该方法在裂尖测试精度方面具有重要意义。本文基于断裂力学裂纹尖端位移场函数,进行主导项影响分析,并探究裂尖位移函数中各项及其组合项对位移场表征的贡献程度及对测试精度的影响。通过对I型、II型及混合型裂纹进行测试,发现各项及其组合项在不同裂纹类型测试中的影响有着较大区别,从而得出在X-DIC测试计算中影响裂尖位移场表征的主导项。最后,应用上述研究成果对某航空超硬铝合金的单边裂纹进行拉伸测试。     

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.     

基于扩展有限元法的裂尖场精度研究

扩展有限元方法基于单元分解的基本思想,通过引入位移加强函数来表征裂纹的不连续性和裂尖的奇异性。在裂尖加强单元与常规单元之间有一层混合单元,当对裂尖特定区域进行加强时,混合单元个数相应增加,混合单元个数与计算精度存在一定联系。本文提出一种正方形裂尖加强区域的选择方式,可得到较单个加强和圆形加强精度更高、更稳定的计算结果。对于不同长度的裂纹,表征裂尖场奇异性所需的裂尖加强范围存在较大差异,以正方形裂尖加强方式进行计算,得到了不同裂纹长度下最优的加强尺寸。     

一种XFEM断裂分析的裂尖单元新型改进函数

提出了一种适用于裂尖改进单元的新型改进函数, 基于三角变换的方法, 保留裂纹尖端场的应力奇异性和裂纹上、下表面的位移不连续性, 将常规扩展有限元法裂尖改进单元的4 项改进函数缩减为2 项, 裂尖改进单元的结点由常规的8 个改进自由度减少为4 个. 采用2 个正交的水平集函数表征材料内部裂纹面, 详细阐述了改进单元类型的判别方法, 给出一种改进单元的分区域积分方案. 最后, 若干断裂力学问题经典算例的数值计算结果表明:建议的裂尖改进函数具有较高的数值精度, 该方法是十分有效的.