冲击载荷下含表面裂纹圆柱壳体的动态断裂

动态载荷下含表面裂纹的有限尺寸构件的断裂问题在工程实践中有着重要意义,但由于此类问题非常复杂,目前还不能求得解析解。本文针对含轴向半椭圆盘状表面裂纹的圆柱壳体,应用有限元法研究了动态载荷下其断裂问题,计算了动态应力强度因子与静态应力强度因子的比值KdIyn(t)/KsIta。从计算结果可以得出,比值KdIyn(t)/KsIta与结构和裂纹的尺寸有关,而与冲击载荷的大小无关。本文所得结果在一定程度上揭示了圆柱壳体表面、裂纹面、物质惯性和弹性波的相互作用及其对动态断裂的影响。     

水中爆炸冲击波载荷作用下舰船结构动态响应的数值模拟

采用大型通用有限元软件MSC.DYTRAN,对某型水面舰船全船结构在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应进行了数值模拟。分别从结构的变形损伤形式、能量吸收和冲击环境等几个方面研究了舰船结构在水下爆炸载荷作用下的破坏机理和响应特征。     

冲击载荷下孔隙塌缩过程的数值模拟

爆炸压实过程中多孔体的孔隙闭合程度对压实效果起着决定性作用。利用LS-DYNA有限元程序,对无氧铜中的圆形孔隙塌缩过程进行了数值模拟。根据模拟结果分析得出,在6 GPa的冲击压力下,孔隙闭合时不同边界区域会发生爆炸焊接和射流侵彻,这2种结合机理可以使材料结合更牢固,提高材料的致密度和机械强度,实现高质量的爆炸压实。     

冲击载荷作用下岩体破坏规律的数值流形方法模拟研究

为了更好地模拟岩体这种典型的连续与非连续介质共存的复杂结构体在冲击载荷作用下的破坏规律,在近年来新出现的数值流形方法基本理论的基础上,利用其算法程序对岩体中存在的不连续面如节理、裂隙等对岩体破裂效果的影响进行了数值模拟分析,计算结果充分显示了数值流形方法在模拟这类问题中的准确性和有效性。     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。     

冲击载荷下含空孔三点弯曲梁的动态断裂行为

为得到圆孔缺陷对运动裂纹扩展过程的影响规律,采用动态焦散线实验方法进行模型实验,研究了冲击载荷下含空孔三点弯曲梁的动态断裂行为。研究结果表明:空孔对裂纹扩展有极大的阻碍作用,在一定范围内,空孔直径越大,阻碍作用越明显。裂纹扩展到空孔附近时,扩展速度会下降。裂纹在空孔上部再次起裂后,最大扩展速度远远大于裂纹与空孔贯通前的最大扩展速度。裂纹扩展至空孔附近时,裂纹尖端动态应力强度因子KdⅠ和KdⅡ均会下降。裂纹在空孔上部再次起裂后,裂尖的应力强度因子KdⅠ和KdⅡ均大于裂纹与空孔贯通前裂尖的KdⅠ和KdⅡ。在整个扩展过程中,裂纹尖端的动态应力强度因子KdⅡ远小于KdⅠ,说明KdⅠ在裂纹扩展过程中起主要作用。     

冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验装置对修正侧开单裂纹半孔板（improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC）试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。

     

有限长界面裂纹对冲击载荷的响应

本文研究了受冲击载荷作用下界面裂纹的瞬态特性。通过引入裂纹尖端附近裂纹面无摩擦接触区,消除了界面裂纹问题中存在的振荡奇异性。由于产生了随时间变化的运动边界,应用积分变换及路径积分方法进行反演,在时间-空间域上给出了问题的控制积分方程。应用chebyshev多项式展开,将问题转化为非线性微分-积分方程组的求解。给出了剪切应力强度因子和裂纹面接触区尺寸的数值结果。所得结果表明,拉伸场中界面裂纹的扩展和剪切失效有密切关系。     

爆炸荷载作用下岩石动态裂纹扩展的数值模拟

运用岩石破裂过程分析软件RFPA-dynamic,就爆炸荷载的加载速率、炮孔到自由边界的距离以及两炮孔中间空孔的大小对动态裂纹扩展方式的影响进行了研究。结果表明：随着加载速率的减小,炮孔周围的破碎区逐渐减少;裂纹开始萌生的位置逐渐由破碎区外边缘向炮孔孔壁转移;萌生的分支小裂纹逐渐减少,主裂纹扩展长度逐渐增大。由于自由边界的影响,炮孔向下扩展的裂纹逐渐弯向水平方向,且炮孔到自由边界的距离越小,这种趋势越明显。由于空孔的导向作用,使靠近空孔的裂纹逐渐弯曲向空孔处扩展,同时在空孔孔壁两端产生一条向炮孔扩展的裂纹;空孔半径大小对裂纹的导向作用,并无明显的影响;材料的非均匀性,对裂纹的扩展方式有显著的影响。     

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。     

高应变率下断裂韧性实验的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA程序对静态和冲击荷载作用下的含裂纹半圆弯曲(SCB)实验进行了数值模拟。根据静态实验的模拟结果,提出了适合复合型加载的Ⅰ型应力强度因子拟合公式,采用该公式计算应力强度因子的最大误差不超过10%。动态实验的模拟结果表明：对于纯Ⅰ型加载的SCB实验,动态应力强度因子随着试样半径、支座间距以及相对裂纹长度的变化呈现规律性变化;当试样半径小于60mm、相对支座间距为1.2、相对裂纹长度在0.1~0.4范围内时,惯性效应的影响较小,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差约10%;对于复合型加载的SCB实验,当相对裂纹长度为0.2~0.4、裂纹倾角在10°~40°范围内时,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差小于10%。     

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。     

不同倾角预制裂纹缺陷与运动裂纹的相互作用

为了研究运动裂纹与不同倾角预制裂纹缺陷之间的作用机制,采用数字激光动态焦散线方法对含不同倾角预制裂纹缺陷的三点弯曲梁进行冲击实验。研究结果表明,在冲击载荷作用下,预制裂纹缺陷尖端均产生了次生裂纹;当运动主裂纹与预制裂纹缺陷贯通时,次生裂纹不会立即起裂,而是经过0~10 μs的能量积蓄后,次生裂纹才起裂;运动主裂纹应力强度因子峰值与次裂纹起裂时的应力强度因子值均随预制裂纹倾角的增大而增大。     

基于圆弧底试件的动态裂纹扩展及止裂规律研究

为了研究脆性材料的动态裂纹扩展及止裂规律,设计了一种带圆弧形底边的梯形开口边裂纹（trapezoidal opening crack with arc bottom,TOCAB）构型的试件。在落锤冲击设备加载下,对圆心角为0°、60°、90°和120°的TOCAB试件进行了冲击实验,并采用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)监测裂纹起裂和扩展时间,从而获得裂纹扩展速度。采用有限差分软件AUTODYN对落锤冲击设备和试件进行数值模拟,研究了裂纹的动态扩展过程及止裂规律。还基于实验和数值方法,计算了裂纹的临界动态应力强度因子。实验和数值结果均表明：3种弧度的TOCAB试件都可以实现运动裂纹止裂,该构型可用于研究动态裂纹止裂问题;数值计算的裂纹扩展路径与实验结果基本一致,验证了数值模型的有效性;裂纹起裂和止裂时刻的临界动态应力强度因子大于裂纹动态扩展过程中的临界动态应力强度因子。

     

Convolution of the impact three-dimensional elasto-dynamics and dynamic stress intensity factor for an elliptic cracks

This paper presents a formulation for three-dimensional elastodynamics with an elliptic crack based on the Laplace and Fourier transforms and the convolution theorem. The dynamic stress intensity factor for the crack is determined by solving a Fredholm integral equation of the first kind. The results of this paper are very close to those given by the two-dimensional dual integral equation method. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (K19672007)     

A penny-shaped crack in a transversely isotropic piezoelectric layer

In this paper, we develop a model to treat penny-shaped crack configuration in a piezoelectric layer of finite thickness. The piezoelectric layer is subjected to axially symmetric mechanical and electrical loads. Hankel transform technique is used to reduce the problem to the solution of a system of integral equations. A numerical solution for the crack tip fields is obtained for different crack radius and crack position.     

三点弯曲试样动态冲击特性的有限元分析

本文使用动态有限元技术,对于两种不同几何尺寸,两种不同材料的三点弯曲试样在三类七种不同冲击载荷作用下的动态响应进行了分析,求得了动态应力强度因子随时间的变化规律。并与准静态应力强度因子进行了比较。计算结果表明：将冲击载荷历史代入静态公式确定动态应力强度因子的做法是不正确的,要求得动态应力强度因子,必须对试样进行完全的动态分析。当材料的Ｅ／ρ值相同时,动态应力强度因子的响应曲线完全相同。而动态应力强度因子分别与加载点的位移及裂纹的张开位移之间存在着与准静态情况下各自相同的线性关系。这与资料［５］［６］中的结论完全相同。     

断裂力学判据的评述

从Inglis 和Griffith 的著名论文到Irwin 和Rice 等的奠基性贡献,对断裂力学中的线弹性断裂力学的K判据,界面断裂力学的G判据,和弹塑性断裂力学的J 判据作了扼要的综述. 介绍了在界面断裂力学G判据的基础上提出的界面断裂力学的K判据,以说明断裂力学的判据存在改进的可能性. 在综述中归纳出断裂力学判据中目前还没有较好解决的几个问题. 在总结以往断裂力学研究经验的基础上,指出裂纹端应力奇异性的源是对断裂力学判据存在的问题作进一步研究的切入点. 探讨了裂纹端应变间断的奇点是裂纹端应力奇异性的源的问题,从而对裂纹端应力强度因子的物理意义进行了讨论. 最后,阐述了进行可靠的裂纹端应力场的弹塑性分析是改进弹塑性断裂力学判据的关键,而进行可靠的裂纹端应力场的弹塑性分析的前提是要通过裂纹端应力奇异性的源的研究来获得作用在裂纹端的造成裂纹端应变间断的有限值应力.     

动态J积分及Rice J积分一致性比较与分析

首先回顾了动态J积分的发展进程,然后给出了两种常用动态J积分和Rice J积分的数学计算式,并对它们的一致性加以讨论,由此提出一种广义J积分的定义.然后通过算例,基于ANSYS软件,建立平面应变情形下纯I型中心裂纹模型,并利用编写的APDL程序计算了各个J积分,通过结果比较,进一步验证了在动态加载条件下,动态J积分比Rice J积分具有更好的路径守恒性,但仍可以看出它们的取值具有一定的一致性.最后,通过J积分间接法和裂尖位移外推法分别计算裂纹动态应力强度因子,所得结果吻合很好,验证了编写程序的正确性.