扩展裂纹尖端的塑性热耗散与温度场

材料的不可逆变形功以热的形式耗散，形成温度场，本文考虑Ⅰ型裂纹尖端过程区塑性变形功的热耗散，视裂尖塑性过程区为内热源，通过合理地构造一个热源密度函数，结合裂尖塑性区的近似模型，给出了裂纹定常扩展过程中的裂尖温度场。     

具有半边裂纹导电薄板放电瞬间的温度场数值模拟

采用数值模拟方法 ,模拟计算了具有半边裂纹的导电薄板在放电瞬间的温度场分布。计算结果表明 :在裂纹尖端附近由于电磁热的集中效应 ,可使材料熔化形成焊口 ,裂纹尖端处的曲率半径显著增大 ,并且焊口的温度分布与形状是不完全对称的。裂纹尖端焊口形状的模拟计算结果与试验结果非常吻合。从温度梯度的分布结果可知 ,裂纹前缘附近在放电过程中将产生很大的压应力 ,可显著减少甚至是消除裂纹前缘处的扩展应力数值 ,抑制了裂纹主干线的形成 ,可达到遏制裂纹扩展的目的     

各向异性硬化材料中Ⅲ型定常扩展裂纹的有限元分析

1.引言硬化材料的裂纹定常扩展是估计材料裂纹扩展阻力的重要课题。文献[1—2]分别用一种适用于裂纹定常扩展的有限元方法,分析了各向同性硬化材料的裂纹定常扩展问题。然而,大多数工程材料都表现出某种程度的鲍辛格效应,即材料在硬化过程中具有各向异性的性质。扩展裂纹尖端附近的材料经历了加、卸载甚至可能是反向加载的过程。因此,必须计入各向异性硬化的情况。Ibragimov用运动硬化理论讨论了Ⅲ型裂纹的定常扩展。文[4—5]研究了各向异性硬化材料的裂纹尖端渐近场。     

论裂纹扩展过程中的流变与耗散现象

根据裂纹扩展过程中的流变与耗散现象,建立了裂纹扩展过程中裂纹体的热力学平衡方程。从而我们把裂纹扩展问题转化为一个含质量流源的扩散运动问题,并应用内部体力场论研究了裂纹扩展力。引入外部热汇后,我们将能量耗散问题转化为一个热传导问题。在此基础上,提出变质量断裂模型理论,并实验验证了裂尖塑性流变区存在有质量流及相应的非均匀温度场。令Clausius非补偿热为非负值,建立了裂纹扩展过程的广义熵不等式。应用算子分解定理引入耗散势函数,再依据广义Onsager互易原理,我们将广义熵不等式化为某一泛函的可积微分不等式,从而得到它的完全解。最后,给出流变性材料的严格非局部本构关系,并借助Lyapounov型的流变记忆泛函来描述裂纹扩展的全过程。据此,我们将裂纹扩展全过程分成三个阶段,即孕育期、稳定扩展期和失稳扩展期。再根据非平衡态热力学稳定性建立起起裂判据、裂纹扩展的稳定和失稳判据,并指明了裂纹扩展的方向。结果表明,仅当对称性破坏时,才能出现失稳扩展。因此,本文为流变断裂学提供了一个理论基础。      

双面对称同步激光热应力切割数值模拟研究

以大厚度脆性陶瓷材料为例,提出一种新的基于热应力控制断裂的双面对称同步激光切割技术。利用热力耦合和裂纹扩展数值模拟技术,分别对单面和双面对称同步激光加工条件下陶瓷材料内部的温度场和应力场以及裂纹扩展过程进行对比分析。结果表明:在激光功率与光斑形状和尺寸相同的条件下,双面对称同步激光切割相同厚度材料对应的最大切割速度是单面激光切割最大速度的两倍以上;在激光扫描速度和光斑形状尺寸不变的条件下,双面对称同步激光切割相同厚度材料所需的最小功率远低于单面激光所需的最小功率;在相同激光工艺参数条件下,双面对称同步激光切割材料时,其切割剖面上的裂纹扩展速度快于单面激光,裂纹沿激光扫描方向上的稳定扩展距离更长,能切割更大厚度的陶瓷材料。     

承压热冲击下反应堆压力容器的塑性失效分析

承压热冲击（PTS）使反应堆压力容器（RPV）的完整性面临极大的挑战,尤其是在喷嘴周围的环带区。考虑到瞬态温度处于零韧性参考温度之上,引入非线性材料性能来模拟一个真实RPV的混合温度场和应力场。应用扩展有限元法对喷嘴区中的裂纹扩展过程进行模拟,并得到了承压热冲击下的临界裂纹尺寸。结果显示,PTS初期的热应力效应显著,后期热-机械耦合作用产生的峰值应力很可能会引起结构失效。应用直接和间接耦合法得到的数值结果吻合,且后者的计算效率较高。在塑性极限承载状况下,裂纹尖端在靠近内壁的位置容易产生扩展。离内壁较远的裂纹尖端由于受热冲击影响较小,发生裂纹扩展的可能性相对较低。随着基体墙厚度的减小,容许的裂纹尺寸急剧缩小,接近临界承载状态时稳态裂纹扩展的程度明显降低。     

脆性材料裂纹扩展的分形运动学

大量实验结果表明脆性材料裂纹扩展路径是弯弯曲曲的，不规则的，断裂表面粗糙不平，表现出分形特征。本文应用分形几何推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得到了动、静态断裂韧性与分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量δ＿ｃ以及分形维数之间的关系；推导出了裂纹扩展速度的计算公式，得出宏观量测的裂纹扩展速度Ｖ＿０应小于分形裂纹扩展速度Ｖ；并推导出直接根据材料动、静态断裂韧性和裂纹扩展速度Ｖ＿０估算材料裂纹扩展路径的分维计算公式．本文理论分析结果与实验值在定性定量上达到了较好的一致。     

基于耗散能密度的疲劳裂纹扩展规律研究

在疲劳裂纹扩展过程中,裂纹尖端的能量耗散决定了裂纹扩展能力.研究基于耗散能密度的裂纹扩展规律更有物理意义.耗散能密度是材料疲劳性能的一种表征参数,实验测得了镍基高温合金GH4169材料室温和450℃高温的耗散能密度与控制应力幅值的关系曲线.参照Paris公式的形式提出了基于耗散能密度的裂纹扩展方程,并通过疲劳裂纹扩展试验测量了GH4169材料在室温和450℃高温下的裂纹扩展速率与耗散能密度的关系.试验结果的总体趋势与所提出的扩展方程一致.     

考虑T-stress的非正态随机参数疲劳裂纹扩展寿命的可靠性分析

基于断裂力学的疲劳裂纹扩展寿命问题的研究常常将裂纹尖端应力展开项的高次项忽略,引起了裂纹扩展模拟的误差,本文考虑高次项T-stress对裂纹扩展角的影响,对裂纹扩展过程做了数值模拟,结果显示相同裂纹扩展长度下,考虑T-stress会延长裂纹扩展寿命。文章首先采用修正的Paris-Erdogan 公式计算了两端承受均布拉伸载荷的边缘斜裂纹板的疲劳裂纹扩展寿命,裂纹扩展方向采用两参数修正的最大拉应力准则。由于结构尺寸,材料特性和载荷等因素具有不确定性,导致疲劳裂纹扩展过程带有一定的随机性,本文以材料属性和载荷为随机变量,在随机有限元法的基础上,结合计算可靠度的四阶矩法,Edgeworth级数展开方法,提出随机参数服从任意分布时的结构疲劳裂纹扩展寿命可靠度的计算方法。分析了参数为非正态分布时的平板裂纹扩展寿命可靠度随裂纹扩展的变化过程。本文方法可预测工程中板裂纹的扩展行为,以及预测裂纹板的可靠度。     

结构增韧材料在裂纹扩展中的韧度增值

本文分析了由裂纹扩展过程中形成的耗能尾区和桥联段所产生的增韧效应。根据对扩展裂纹的能量积分的贡献,结构增韧材料在裂纹扩展中的韧度增值机制可分解为:尾区体膨胀塑性增韧;尾区剪切屈服带增韧;裂纹面夹杂第二相桥联;未贯穿裂纹的基体桥联。本文结合结构高分子材料和短纤维复合材料等材料体系进行了具体的增韧分析计算。     

类岩石材料中表面裂纹扩展模式的实验研究

采用粘贴式轴拉方法实现了类岩石材料的直接拉伸实验,通过在类岩石材料试件中预制表面裂纹研究了类岩石材料中表面裂纹的扩展模式.研究发现,粘贴式轴拉方法可以满足一般类岩石材料的直接拉伸实验;类岩石材料中表面裂纹首先从试件正面开始扩展;表面裂纹的存在极大地影响着材料的破坏模式,类岩石材料在试件的正面上会表现出明显的二维穿透性裂纹的扩展形态,但是受其影响裂纹在厚度方向扩展会发生偏转,从而使得试件背面的最终贯通方向没有与加载方向垂直,而是呈一倾角,并且和表面裂纹的倾角和深度有关.     

电磁热效应止裂效果与裂纹走向关系的研究

采用理论、实验与数值分析的方法研究了在电磁热效应裂纹止裂中 ,由于裂纹走向不同导致裂纹尖端的温度场、温度梯度场分布状态的不同 ,并定量计算了它们的分布规律和差值。数值模拟计算应用了耦合场理论中热 电耦合 (焦耳热问题 )的分析方法。三方面的研究结果均表明 :在裂纹尖端处 ,由于电流产生的焦耳热源的作用 ,能够在很小的范围内熔化形成微小的焊口 ,遏制了裂纹的扩展 ;裂纹的走向是影响裂纹尖端温度场数值和温度梯度场变化即电磁热效应裂纹止裂效果的主要因素之一。     

岩石材料动态破坏的近场动力学方法数值模拟

裂纹的聚集、扩展、分叉是岩石等脆性材料破坏失效的关键因素，本文在验证了近场动力学方法在研究岩石类材料裂纹动态扩展方面的有效性之后，采用近场动力学方法分别对冲击载荷作用下含有双裂纹岩石材料和单轴压缩作用下含单斜裂纹的岩石材料进行数值模拟．结果表明，对于双垂直裂纹，其裂纹扩展路径大致与预制裂纹成70°夹角；对于单裂纹，裂纹的扩展路径随裂纹倾角的变化而变化，最终导致构件的整体破坏．数值模拟结果表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石等脆性材料的裂纹扩展直至破坏的过程，反映裂纹扩展的物理机理；其作为一种新的基于非局部理论的数值方法，在地下岩体工程方面及页岩气的开采方面会有很好的发展前景．     

基于泛形理论的裂纹扩展路径模拟

材料断裂面的泛形特征是由于材料内部不均匀造成的．本文利用纳米压痕实验测得的弹性模量随机样本，得到了表示材料非均匀特性的Weibull统计分布参数；对含裂纹的HT250试件的裂纹扩展过程进行了基于扩展有限元法的数值模拟，在此结果上计算了裂纹扩展路径的泛形复杂度，模拟结果与试验结果吻合较好；分析了铝合金7075不同均质度对非均匀模型裂纹扩展的影响．研究结果表明，灰口铸铁的Ⅰ型裂纹扩展路径具有泛形特征，裂纹的泛形复杂度依赖于材料的非均匀性且呈负相关关系．该研究方法也适用于其他应力应变呈单值关系材料的裂纹扩展分析．     

可靠性设计中的疲劳裂纹扩展随机模型

首先导出了疲劳裂纹扩展的确定性方程，然后将疲劳裂纹扩展确定性方程随机化，导出了疲劳裂纹随机扩展的概率公式，并推导了疲劳裂纹随机扩展的置信限公式，最后，给出了二种材料疲劳裂纹随机扩展数据的处理结果。     

基于神经网络的界面裂纹尖端场分析

通过构造反向传播神经网络,对裂纹尖端的应力场进行模拟,进而实现对裂纹尖端应力场甬数的逼近。得到的网络具有较高的联想、记忆能力和相当的稳定性,并且可以快速、准确地得到带裂纹构件的裂纹尖端应力场,从而确定裂纹尖端的塑性区和分析裂纹的扩展。数值计算给出了LY12-CZ材料裂纹扩展方向的计算结果,与实验结果吻合较好,还给出了两相材料含界面裂纹在复合型载荷作用下的塑性区形状的变化情况,并对两相材料含界面裂纹在复合型载荷作用下裂纹的扩展方向进行了预测。     

功能梯度材料斜裂纹动态扩展的近场动力学模拟

近场动力学是一种考虑非局部力相互作用的连续体理论.采用有限范围内的直接求和积分来代替经典弹性力学的应力/应变关系,这样就避免了传统的局部微分方程在求解不连续问题时的奇异性和现有多尺度算法的复杂性,而且在处理多物理场问题时具有同样的优势.本文采用近场动力学理论,模拟功能梯度材料在受动态拉伸荷载作用下的裂纹扩展问题,给出了功能梯度材料的斜裂纹扩展路径及破坏形态,同时讨论材料梯度形式对裂纹扩展行为的影响.结果发现裂纹总是沿着水平方向扩展,且材料的梯度形式对裂纹的扩展行为影响较小.     

狭长缺口根部萌生的小裂纹扩展分析

根据伴随着小裂纹延展过程中不同力学参数相互作用的分析研究基础之上,我们就疲劳小裂纹的扩展特性进行了分析,根据不扩展裂纹性质对小裂纹的长度范围进行了讨论,探讨了狭长缺口根部萌生的小裂纹扩展速率, 并研究了不扩展裂纹形成机理,推演出不扩展裂纹长度计算方法,发展出一种预测小裂纹扩展行为的方法,借助这种方法可以实现裂纹萌生寿命的预测,与疲劳设计相结合可以进一步提高构件安全性与可靠性．不扩展小裂纹的长度可以通过计算定量得到,它与材料的疲劳极限、裂纹门槛值及缺口尺寸等参数紧密相关．以理论数据为依据,可以设计出针对一定材料及尺寸的试样,使其在一定荷载条件下不扩展裂纹长度达到宏观可观测的范围,进而降低小裂纹测量方面的技术难度,进一步验证不扩张裂纹形成机理．     

含中心裂纹铝合金薄板裂纹稳态扩展的实验研究

一、引言对于韧性材料的含裂纹构件,通常是在大范围屈服情况下断裂的,所以必须建立弹塑性断裂理论来进行研究。用J积分判据J_(1c)或临界裂纹顶端张开位移δ_(cr)来衡量韧性材料的断裂韧性,在工程上具有实用意义。但是J_(1c)和δ_(cr)都是用来确定裂纹的初始起裂,而起裂后的裂纹稳态扩展现象很重要,特别对于硬化材料的金属薄壁构件更为明显,在裂纹缓慢稳态扩展的过程中,必须继续增加载荷,直到裂纹失稳扩展,因此要合理地确定含裂纹薄壁结构的承载能力,就需要研究裂纹稳态扩展过程。Feddersen在研究平面应力断裂问题中,用铝合金中心裂纹板试件做了大量实验,对工程设计提供了有用的分析方法,但是对于裂纹的稳态扩展过程只做了定性描述,没     

金属材料疲劳裂纹扩展机制及模型的研究进展

裂纹萌生、扩展和断裂行为及其与材料本身和外部因素的关联一直是工程与科学界的重要研究课题。本文总结了影响疲劳裂纹扩展的多种因素，综述了高周疲劳裂纹扩展的唯象模型和理论模型，以及低周和超高周疲劳裂纹扩展模型的新进展(包括基于能量的和考虑概率的)。综合前述模型优缺点，提出了一种基于单轴拉伸性能的新型疲劳裂纹扩展模型(iLAPS)。分析表明，新模型iLAPS与多种常用材料的疲劳裂纹扩展试验数据吻合较好，并且能够准确地给出不同应力比下的裂纹扩展速率曲线。最后，对先进材料抗疲劳开裂性能的高通量表征及运维技术进行了展望。