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.     

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。     

基于有限元方法的航空发动机叶片应力强度因子计算

为研究叶片裂纹尖端的应力奇异性,以某型航空发动机压气机叶片为例,利用有限元方法研究了叶片裂纹尖端应力强度因子的计算方法,并研究了旋转叶片振动状态下裂尖应力强度因子随裂纹长度的变化规律。建立计算模型时,在裂纹尖端划分了三维奇异单元,在裂尖外围划分了过渡单元。计算结果表明：研究旋转叶片振动状态下的裂尖应力奇异性,仅利用I型应力强度因子就具有足够的精度;对于同一裂纹,绝大多数情况下叶盆面应力强度因子大于叶背面应力强度因子,故研究叶片应力强度因子时只需研究叶盆应力强度因子即可;随着裂纹扩展,叶盆面I型应力强度因子不断增大。本文的研究方法及结论为进一步研究叶片的裂纹扩展规律及损伤容限奠定了基础。     

应用半权函数法计算界面裂纹的应力强度因子

应用半权函数法求解双材料界面裂纹的应力强度因子，得到以半权函数对参考位移与应力加权积分的形式表示的应力强度因子。针对特征值为复数λ的双材料界面裂纹裂尖应力和位移场，设置与之对应特征值为-λ的位移函数，即半权函数。半权函数的应力函数满足平衡方程，应力应变关系，界面的连续条件以及在裂纹面上面力为0；半权函数与裂纹体的几何尺寸无关，对边界条件没有要求。由功的互等定理得到应力强度因子KⅠ和KⅡ的积分形式表达式。本文计算了多种情况下界面裂纹应力强度因子的算例，与文献结果符合得很好。由于裂尖应力的振荡奇异性已经在积分中避免，只需考虑绕裂尖远场的任意路径上位移和应力，即使采用该路径上较粗糙的参考解也可以得到较精确的结果。     

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.     

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.      

有限厚度板穿透裂纹前缘附近三维弹性应力场分析

通过三维有限元计算来研究有限宽度、有限厚度含有穿透裂纹板的裂纹前缘应力场，从中找出应力强度因子与板的厚度、裂纹长度之间的关系，同时还分析了裂尖的三维约束程度和三维约束区的大小。分析结果表明：应力强度因子沿厚度的分布是不均匀的，应力强度因子的最大值及其位置与厚度有关；有限厚度板中面应力强度因子(KI)m-p及最大应力强度因子(KI)max均大于平面应力或平面应变的应力强度因子。对有限厚度裂纹问题，按平面应力或平面应变来考虑是不安全的；板中面的应力强度因子(KI)m-p及最大应力强度因子(KI)max是厚度B／a的函数；板的中面离面约束系数Tx最大，自由面(z=B)Tx=0。沿厚度方向裂尖附近的离面约束系数Tx也是z／B和B／a的函数，随着厚度的增加离面约束系数Tx增大，离中面越近离面约束系数Tx越大。Tx随着x的增大急剧减小，三维约束影响区域大小大约为板厚的一半，且裂纹长度a／W对应力强度因子沿厚度变化规律及Tx影响区域大小影响较小。     

三维冲击荷载弹塑性弯曲裂纹张开位移

主要研究冲击载荷作用下的三维弹塑性弯曲裂纹尖端的张开位移问题．综合考虑了冲击作用应力,三维塑性区域边界上正应力与剪应力,利用二阶摄动方法计算了三维弹塑性弯曲裂纹尖端的张开位移．用数值解法计算出三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移,作图分析了三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移与三维裂纹体几何尺寸之间的变化关系．三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移随着三维裂纹体厚度的增大而减小,随着三维裂纹体厚度的均匀增大,三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移尺寸不断减小,减小的幅度越来越小,最终趋于平面应变状态下的弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移尺寸．当三维裂纹体几何尺寸相同时,三维弯曲裂纹尖端动态张开位移随外部冲击载荷的不断增大而逐渐增大,三维弯曲裂纹尖端动态张开位移随动荷系数的增大而迅速增大,建立了一个计算三维弹塑性弯曲裂纹尖端动态张开位移的崭新理论模型．     

求解界面裂纹应力强度因子的围线积分法

本文基于Ｂｅｔｔｉ功互等定理和双材料界面裂纹辅助场，提出了一种求解界面裂纹应力强度因子的方法，即远场围线积分法。此方法与积分径的选择无关，用有元元法计算出远离裂纹尖端的位移场和应力场，应可通过计算绕裂尖围线的积分，精确地给出界面裂纹应力强度因子ＫＩ和ＫⅡ。     

V型缺口裂端的三维应力状态及约束分析

利用三维有限元方法，研究了有限厚度板中V型缺口根部穿透裂纹前沿的三维弹性应力场。对不同厚度、不同缺口张开角和裂纹长度对应力强度因子及裂尖附近的三维约束程度的影响进行了分析，同时还讨论了三维约束区的大小。研究结果显示：当缺口张开角小于60度时，不同缺口的应力强度因子和离面约束因子的分布基本一致，角度的影响不明显。应力强度因子是厚度的函数，板中面的应力强度因子随厚度的增加逐渐减小趋近干平面值，最大为1．08倍的平面值。当板厚超过15倍的缺口深度时，应力强度因子最大值将从中面转移至接近自由表面位置，距中面约0．4倍板厚。三维约束非常明显的区域在裂尖前沿约0.45倍厚度的范围内．二维到三维的过渡区在裂尖前沿1.5倍厚度的区域内；在中面上三维效应影响区最大，随着离中面距离的增加逐渐减小，在自由表面上降为0。     

双轴载荷作用下源于椭圆孔的分支裂纹的一种边界元分析

利用一种边界元方法来研究双轴载荷作用下无限大板中源于椭圆孔的分支裂纹．该边界元方法由Crouch与Starfied建立的常位移不连续单元和笔者提出的裂尖位移不连续单元构成．在该边界元方法的实施过程中,左、右裂尖位移不连续单元分别置于裂纹的左、右裂尖处,而常位移不连续单元则分布于除了裂尖位移不连续单元占据的位置之外的整个裂纹面及其它边界,文中算例说明本数值方法对计算平面弹性裂纹的应力强度因子是非常有效的。该文对双轴载荷作用下无限大板中源于椭圆孔的分支裂纹的数值结果进一步证实本数值方法对计算复杂裂纹的应力强度因子的有效性,同时该数值结果可以揭示双轴载荷及裂纹体几何对应力强度因子的影响。     

有限尺寸下双材料界面附近裂纹位置对裂纹尖端的影响

随着复合材料的应用和发展,不同材料组成的界面结构越来越受到人们的重视。界面层两侧材料的性能相异会引起材料界面端奇异性,同时界面和界面附近存在裂纹会引起裂尖处的应力奇异性。因此双材料界面附近的力学分析是比较复杂的。本文建立双材料直角界面模型,在材料界面附近预设初始裂纹,计算了有限材料尺寸对界面应力场及其附近裂纹应力强度因子的影响。运用弹性力学中的 Goursat 公式求得直角界面端在有限尺寸下的应力场以及其应力强度系数。通过叠加原理和格林函数法进一步得到在直角界面端附近的裂纹尖端应力强度因子。计算结果表明,在适当范围内改变材料内裂纹与界面之间的距离,界面附近裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹与界面距离的增加而减少,并且逐渐趋于稳定。分析结果可以为预测双材料结构复合材料界面失效位置提供参考。     

含力磁屈服区的压磁材料硬币型裂纹问题研究

本文利用Hankel 变换及Copson 求解方法,得到了在无穷远处磁荷载以及对称力荷载作用下的无限大压磁材料中,硬币型裂纹在裂纹尖端含有环状力磁双屈服区情况下的相关解析解．本文考虑了磁屈服区尺寸小于、大于、等于力屈服区尺寸的三种情况．结果表明：屈服区尺寸不仅与外荷载及材料常数相关,更与力磁屈服区尺寸的相对大小有关;其中,较大尺寸的屈服区仅受同性质单一荷载影响,与材料常数无关;而较小尺寸屈服区受力磁两荷载与材料常数共同影响;裂纹张开位移、磁势跳变均沿裂纹面径向增大而减小;裂尖张开位移、裂尖磁势跳变与材料常数相关,且随外荷载增大而增大．     

内部压力作用下矩形板中源于椭圆孔的分支裂纹应力强度因子的一种数值分析

应用一种边界元方法来研究内部压力作用下矩形板中源于椭圆孔的分支裂纹。该边界元方法由Crouch与Starfied建立的常位移不连续单元和笔者最近提出的裂尖位移不连续单元构成。在该边界元方法的实施过程中,左、右裂尖位移不连续单元分别置于裂纹的左、右裂尖处,而常位移不连续单元则分布于除了裂尖位移不连续单元占据的位置之外的整个裂纹面及其它边界。本数值结果进一步证实这种数值方法对计算有限大板中复杂裂纹的应力强度因子的有效性,同时该数值结果可以揭示裂纹体几何对应力强度因子的影响。     

平面幂律塑性Ⅰ型裂纹尖端应力场全解

在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域,服役结构或部件在长期极端条件下运行,不可避免地会产生裂纹,因此,为研究含裂纹结构的准静态断裂行为,必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点.对于幂律材料裂纹构元,研究平面应变和平面应力条件下Ⅰ型裂纹尖端应力场的解析分布.基于能量密度等效和量纲分析,推导了能量密度中值点代表性体积单元(representative volume element, RVE)的等效应力解析方程,并定义其为应力因子,进而针对有限平面应变和平面应力紧凑拉伸(compact tension, CT)试样和单边裂纹弯曲(single edge bend, SEB)试样,以应力因子作为应力特征量,并构造用于表征裂尖等效应力等值线的蝶翅轮廓式和扇贝轮廓式三角特殊函数,提出描述幂律塑性条件下平面I型裂纹尖端应力场的半解析模型.该半解析模型形式简单,对CT和SEB试样的裂尖应力场的预测结果与有限元分析的结果比较表明,两者之间均密切吻合,模型公式可直接用于预测Ⅰ型裂纹尖端应力分布,方便于断裂安全评价和理论发展.     

可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了可压缩粘弹性材料II型动态扩展裂纹的力学模型,推导了可压缩材料Ⅱ型动态扩展裂纹的本构方程.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级r-1/(n-1).通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变和位移的数值结果,给出了应力、应变和位移随各种参数的变化曲线.数值计算表明,弹性变形部分的可压缩性对Ⅱ型裂尖应力场影响甚微,而对应变场和位移场影响较大.裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制.当泊松比ν =0.5时,可以退化为不可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹.     

用裂纹张开位移计算三点弯曲试样的动态应力强度因子

给出了一种由裂纹的动态张开位移计算三点弯曲试样的动态应力强度因子的简单方法。对于两种不同几何尺寸的试样,在三类不同载荷作用下给出了数植算例,并与完全的动态有限元方法的计算结果进行了比较。结果表明:两种方法的计算结果相当一致。最后,还给出了由测定三点弯曲试样的裂纹张开位移确定试样的动态应力强度因子,最终确定材料动态起裂韧性的方法。     

三相压电复合本构模型中的弧形界面裂纹

深入研究了三相同心圆柱压电复合本构模型中的弧形绝缘界面裂纹问题。采用复势方法获得了该问题的级数形式的解答,并给出了应力、应变、电位移和电场强度等物理量在全场及界面上的分布,同时推导了裂尖处广义强度因子及裂面张开位移和裂面上电势差的表达式。具体计算表明该级数解答收敛迅速,同时显示出第三相混杂区的影响是不能忽略的。由于裂尖处应力奇异性为－1／2,则这种解答不会出现平面应变状态下界面裂纹裂尖处的振荡奇异性,从而不会产生违反物理实际的裂面相互嵌入现象,则该弹性解答也是建立了坚实的物理基础之上。     

估算裂纹应力强度因子的新方法

根据裂纹形状与裂纹尖端应力强度因子分布之间的固有关系，在线弹性断 裂力学条件下，提出了一种按已知I型裂纹应力强度因子分布规律求裂纹形状及相应应力强 度因子的无梯度迭代法. 通过有限厚度、有限宽度板穿透裂纹和表面裂纹的数值模拟实例验 证了所提出方法的有效性和实用性，并对不同应力强度因子分布规律对裂纹形状以及相应的 应力强度因子大小的影响进行了分析和讨论. 所提出的方法有助于提高实际扩展裂纹应 力强度因子的估算精度以及更合理地预测疲劳裂纹形状演化.     

准静载作用下弹塑性微弯裂纹张开位移

综合考虑了准静态作用应力,塑性区域边界上正应力与剪应力,利用二阶摄动方法与卡氏定理计算了弯曲裂纹尖端的张开位移。研究了在不同的准静载荷条件下弹塑性弯曲延伸裂纹尖端张开位移随着弯曲裂纹形状参数的变化而变化的规律。研究表明,当初始裂纹长度与弯曲路径的形状参数为定值时,弯曲延伸裂纹尖端张开位移大小随外载荷的增大而增大,且增加的趋势非常剧烈。