失效准则在广义Mohr空间的表示及应用

在广义的Mohr空间研究材料的破坏和屈服(失效),找到了主应力空间和广义Mohr空 间中失效曲面的变换,以及适用于所有失效准则的应力和失效面法向的普适相容关系. 对于 双剪强度理论,根据它在广义Mohr空间的表示,将之归于最大偏应力理论一类.     

水饱和花岗岩本构模型及地下爆炸波的数值研究

采用广义自洽方法描述介质的细观几何结构,基于混合物理论建立了水饱和岩石含损伤弹塑性本构模型,提出了一个适用于爆炸波数值计算的饱和水体积分数演化方程,也即给出了本构关系中的闭合方程.使用Biot有效应力描述水压对岩石强度的影响,在有效应力空间里建立了水饱和岩石剪切屈服和破坏的强度准则,并引入了剪胀效应对强度的影响因子.对地下封闭核爆炸的力学效应开展了数值模拟,系统地研究了含水花岗岩中地下爆炸波的传播特征以及含水量对爆炸应力波传播规律的影响.     

基于GMTS准则的岩石复合型断裂机理研究

使用国际岩石力学协会规定的半圆盘岩石试件,加工不同倾角的直裂纹试样,通过三点弯曲加载试验得到不同I-II复合比断裂的断裂韧性和初始断裂角．传统裂纹扩展准则忽视了常数项即T应力及更高阶项的影响,导致该扩展准则的理论预测结果存在较大缺陷,本文通过考虑常数项,建立广义最大周向应力准则(GMTS)．在此基础上,分别采用传统的裂纹扩展准则和考虑T应力的裂纹扩展准则预测不同复合比裂纹的断裂韧性和初始扩展角,然后对比理论预测结果和实验结果．分析可得：常数项即T应力对断裂的临界应力强度因子和初始断裂角的影响是不可忽略的,且II型断裂占比较大时影响更大,广义最大周向应力准则预测值与实验测试结果之间的误差最小．     

岩土的一种强度准则及其变换应力法

基于岩土摩擦性,假设岩土破坏是由其物理空间内特征面上的应力比决定,提出了等效应力比的概念,即物理空间特征面上的剪应力合力与正应力合力的比值.在二维条件下,等效应力比可表示为σ-τ坐标系下与摩尔圆相切的直线扣除截距正切值;在三维条件下,假设在XYZ空间内存在一三维物理空间平面,此三维空间特征平面的等效应力比为影响材料强度特性的决定性因素,基于上述三维空间特征面建立了强度准则并称之为a准则.SMP准则以及广义Mises准则都是a准则的特例,当二维坐标中的截距为零时,则强度准则退化为SMP(spatially mobilized plane)强度准则,而当正切角为零时,则强度准则退化为广义Mises准则.而当截距与外切角均不为零时,则强度准则为介于上述两者之间的一种强度准则,在偏平面上为介于SMP曲边三角形与广义Mises圆形之间的曲边三角形.在子午面上,采用考虑岩土压剪耦合的屈服准则,破坏准则采用幂函数表达式.在偏平面上提出了基于a准则的形状函数,并采用真三维应力状态表示的破坏强度准则表示在三轴压缩路径下以p,q二维应力变量表达的准则公式,推导得到了基于a准则的变换应力公式,可简单地将一般以p,q为基本变量的二维模型转变为三维应力模型.通过强度以及多种应力路径的测试对比,验证了a准则及基于该准则的变换应力公式的合理性.     

广义非线性强度理论在岩石材料中的应用

在已提出的广义非线性强度理论的基础上,结合岩石材料的力学特性,建立了岩石广 义非线性强度理论,该理论在$\pi$平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则 之间的光滑曲线,在子午面上的破坏函数为幂函数曲线. 通过已有不同岩石的真三 轴试验数据对岩石广义非线性强度理论的验证表明,岩石广义非线性强度理论可以 广泛地适用于各类岩石,描述其$\pi$平面上及子午面上的非线性强度特性;并利 用5种不同类型岩石的真三轴试验结果对岩石广义非线性强度理论和Hoek-Brown准 则进行比较,反映了所提岩石广义非线性强度理论的优越性.     

岩石强度准则的主应力显式表达式几何推导及应用

主应力是岩石强度准则的基本量,然而,给定应力张量求解主应力的三次特征方程通常难以求解。本文通过几何关系将主应力的三次代数方程转化为三元一次方程组的求解,最终建立了三个主应力关于应力张量不变量的显式表达式,并着重推演了其在静水压力效应的刻画、三维强度准则的推导和空间屈服面的绘制中的应用。可为岩石真三轴试验数据可视化提供参考,同时丰富了弹塑性力学教学内容。     

基于S准则发展的混凝土动态多轴强度准则

通过对经典强度理论或准则的强度参数分析,将强度参数转化为由混凝土的单轴压缩和单轴拉伸强度表示,结合S准则给出的混凝土单轴强度的率效应规律,得出了强度参数受应变率影响的率效应函数,进而将常用的静态多轴强度准则摩尔-库伦强度理论、松岗-中井强度理论、德鲁克-普拉格强度理论、拉得-邓肯强度准则和胡克-布朗强度准则发展为动态多轴强度准则.利用混凝土动态单轴压缩和动态单轴拉伸试验结果统计分析给出的S准则率效应参数,分析了5种强度准则中强度参数随应变率的变化规律以及取值范围.基于混凝土单轴压缩和单轴拉伸强度,分别给出了5种强度准则在子午面、偏平面和平面应力条件下的强度曲线与主应力空间中的强度曲面,对比分析了5种强度准则间的异同,以及每种强度准则随应变率的变化规律.利用混凝土材料的动态双轴和动态真三轴强度试验结果,分析评价了5种动态多轴强度准则,并且阐述了各动态多轴强度准则的应变率适用范围.德鲁克-普拉格强度理论与试验结果相差甚远,不适于描述混凝土材料的强度规律.动态双轴加载时,在拉压区各强度准则差别不大,都可较好地描述试验规律;在压压区各强度准则差别较大,松岗-中井强度理论与试验结果吻合最好.在动态真三轴比例加载时,摩尔-库伦强度理论和胡克-布朗强度准则无法考虑中主应力的影响;松岗-中井强度理论和拉得-邓肯强度准则都可较好地描述试验规律.      

基于非关联流动规律的Gotoh屈服准则的参数确定方法

屈服准则对板料成形过程的理论解析、工艺优化和有限元模拟有着重要的影响. 通过提高屈服准则的各向异性表征能力, 可以确保成形过程的可靠性及实际预测的准确性. 本文基于非关联流动法则, 给出了Gotoh屈服准则一套全新的参数求解方法. 在结合常用屈服准则并考虑流动规律的基础上, 分别以5754O铝合金、DP980先进高强钢和SAPH440结构钢作为研究对象, 进行了不同加载路径下各向异性变形行为的预测. 根据Gotoh屈服准则推导的屈服函数、塑性势函数以及基于关联流动的理论函数计算出屈服应力和各向异性指数$r$值随加载角度的分布趋势, 进而针对平面应力状态的屈服轨迹展开分析, 验证了不同屈服准则和流动规律对各向异性屈服行为的预测精度. 理论与实验数据对比结果表明: 不同屈服准则针对同种板料在流动规律一致的情形下其表征各向异性的能力有显著差异; 相同屈服准则基于不同流动规律其表征能力也具有明显差别. 基于非关联流动的屈服准则能极大地提高精度, 各向异性表征能力显著加强. 相关结果能够为各向异性屈服准则在塑性成形领域的实际应用方案提供重要参考.      

强度理论百年总结

自从1900年著名的Mohr-Coulomb强度理论建立以来,已有100年的历史.在20世纪,关于材料在复杂应力状态下的强度理论进行了大量的理论研究和实验研究工作.本文对材料(包括金属材料、岩石、土、混凝土、冰、铁、聚合物、含能材料等)在复杂应力状态下强度理论(屈服准则、破坏准则等)的百年发展进行了总结,讨论了各种准则之间的关系,为研究和工程应用中的合理选择破坏准则提供了一种方法.文中还总结了三大系列强度理论、统一屈服准则、统一强度理论和其他各种强度理论,并简述了强度理论的计算机实施,以及多轴疲劳等问题.     

基于非关联流动规律的Gotoh屈服准则的参数确定方法

屈服准则对板料成形过程的理论解析、工艺优化和有限元模拟有着重要的影响.通过提高屈服准则的各向异性表征能力,可以确保成形过程的可靠性及实际预测的准确性.本文基于非关联流动法则,给出了Gotoh屈服准则一套全新的参数求解方法.在结合常用屈服准则并考虑流动规律的基础上,分别以5754O铝合金、DP980先进高强钢和SAPH440结构钢作为研究对象,进行了不同加载路径下各向异性变形行为的预测.根据Gotoh屈服准则推导的屈服函数、塑性势函数以及基于关联流动的理论函数计算出屈服应力和各向异性指数r值随加载角度的分布趋势,进而针对平面应力状态的屈服轨迹展开分析,验证了不同屈服准则和流动规律对各向异性屈服行为的预测精度.理论与实验数据对比结果表明:不同屈服准则针对同种板料在流动规律一致的情形下其表征各向异性的能力有显著差异;相同屈服准则基于不同流动规律其表征能力也具有明显差别.基于非关联流动的屈服准则能极大地提高精度,各向异性表征能力显著加强.相关结果能够为各向异性屈服准则在塑性成形领域的实际应用方案提供重要参考.     

Two-parameter failure criterion for elastoplastic bodies with mode I cracks

The generalized Dugdale crack model is used to formulate two-parameter failure criteria for the cases of quasibrittle state and developed plastic zones at a mode I crack tip. The failure criteria relate the fracture strength characteristics and the stress mode at the crack tip through the plastic constraint factor. The critical state of bodies with cracks under uni-and biaxial loading is analyzed in the cases of plane stress and plane strain using the Tresca and von Mises yield criteria. A small-scale yield criterion, which is an analytic relation between the critical stress intensity factor and T-stresses, is established __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 43, No. 7, pp. 47–57, July 2007.     

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.     

高强钢及软钢断裂失效行为表征与仿真预测

针对汽车碰撞、结构强度等分析中无法准确模拟高强钢及软钢的断裂失效,研究了高强钢及软钢的断裂失效特性以及其仿真预测方法．以宝钢高强钢HC340/590DP及软钢DC05为研究对象,首先通过不同应变率的拉伸试验和不同应力状态的断裂失效试验,来表征两种钢材的弹塑性及断裂失效行为．并从试验数据中得到LS-DYNA中的Damage Initiation and Evolution Criteria (DIEC)失效模型所需参数,建立失效模型,通过子系统试验及仿真计算对DIEC失效模型进行验证．结果表明基于准确的材料试验数据,正向建立的DIEC失效模型可以准确预测HC340/590D及DC05的断裂失效行为．本研究方法可推广到其他高强钢和软钢的断裂失效仿真预测中．     

Numerical plane stress elastic–perfectly plastic crack analysis under Tresca yield condition with comparison to Dugdale plastic strip model

A number of plane stress numerical analyses of the mode I elastoplastic fracture mechanics problem have been performed in the past using the Huber–Mises yield criterion. This study employs instead the Tresca yield condition using an incremental theory of plasticity for a stationary crack. A commercial finite element program is used to solve the opening mode of fracture problem (mode I) for a square plate containing a central crack under generalized plane stress loading conditions. A biaxial uniform tensile traction is applied to the edges of a thin plate composed of a linear elastic non-work hardening material under small strain assumptions. The finite element results are compared with the analytical predictions of the Dugdale plastic strip model for a crack in an infinite plate subject to a biaxial uniform load at infinity.     

Fracture mechanics based design procedures for pressurized components having part-through cracks

This paper presents a fracture mechanics based design procedure for pressurized components having part-through cracks. Fracture critical stresses are evaluated for the assumed crack configurations and the fracture envelopes are obtained for these configurations. For small size crack configurations, Feddersen's type correction is made for proper estimation of critical stress values. Residual strength of unbroken ligament is a more appropriate criterion for the design of thin sections with parth-through cracks. A criterion based on the ligament failure is defined for cases where the critical fracture stresses are above the material yield stress value. The procedure is illustrated by presenting an example of a pressurized tankage used in aerospace industry.     

基于有限断裂法和比例边界有限元法的裂纹扩展模拟

基于有限断裂法和比例边界有限元法提出了一种裂缝开裂过程模拟的数值模型。采用基于有限断裂法的混合断裂准则作为起裂及扩展的判断标准,当最大环向应力和能量释放率同时达到其临界值时,裂缝扩展。结合多边形比例边界有限元法,可以半解析地求解裂尖区域附近的应力场和位移场,在裂尖附近无需富集即可获得高精度的解。计算能量释放率时,只需将裂尖多边形内的裂尖位置局部调整,无需改变整体网格的分布,网格重剖分的工作量降至最少。裂缝扩展步长通过混合断裂准则确定,避免了人为假设的随意性,并可以实现裂缝变步长扩展的模拟,更符合实际情况。通过对四点剪切梁的复合型裂缝扩展过程的模拟,对本文模型进行了验证,并应用于重力坝模型的裂缝扩展模拟,计算结果表明,本文提出的模型简单易行且精度较高。     

New model of propagation rates of long crack due to structure fatigue

By comparison of the characteristics of existing models for long fatigue crack propagation rates, a new model, called the generalized passivation-lancet model for long fatigue crack propagation rates （GPLFCPR）, and a general formula for characterizing the process of crack growth rates are proposed based on the passivation-lancet theory. The GPLFCPR model overcomes disadvantages of the existing models and can describe the rules of the entire fatigue crack growth process from the cracking threshold to the critical fracturing point effectively with explicit physical meaning. It also reflects the influence of material characteristics, such as strength parameters, fracture parameters and heat treatment. Experimental results obtained by testing LZ50 steel, AlZnMgCu0.5, 0.5Cr0.5Mo0.25V steel, etc., show good consistency with the new model. The GPLFCPR model is valuable in theoretical research and practical applications.     

Prediction of mixed-mode fracture based on an elasto–plastic energy balance criterion

The maximum energy release rate criterion, i.e., G _max criterion, is commonly used for crack propagation analysis. This fracture criterion is based on the elastic macroscopic strength of materials. In the present investigation, however, the G _max criterion has been modified in order to accommodate the consideration of plastic strain energy. This modified criterion is extended to study the fatigue crack growth characteristics of mixed-mode cracks. To predict crack propagation due to fatigue loads, a new elasto–plastic energy model is presented. This new model includes the effects of material properties such as strain hardening exponent n, yield strength σ _y , and fracture toughness and stress intensity factor ranges. The results obtained are compared with those obtained using the commonly employed crack growth law and the experimental data.     

含缺口试件疲劳全寿命预测一种建议的方法

传统的研究含缺口构件的疲劳的方法是将疲劳启裂和疲劳裂纹扩展两个过程完全独立起来,用不同的方法来模拟,相互间并没有定量的关系。本文是基于最新发展的多轴疲劳损伤理论,建立了一种适用于各种载荷条件下的疲劳启裂和裂纹扩展的普适方法。根据从弹塑性分析中得到的应力应变,确定疲劳损伤模型,建立能够预测疲劳启裂、裂纹扩展速率和扩展方向的新方法。整个模拟可以分为两步:弹-塑性应力分析得到材料的应力应变分布;再运用一个通用的疲劳准则预测疲劳裂纹启裂和裂纹扩展。通过对1070号钢含缺口试件的疲劳全寿命预测,得到了与实验非常吻合的模拟结果。