裂纹快速扩展的瞬态振动特性和响应计算模型

本文研究裂纹快速扩展的动力特性,特别是裂纹扩展速度的规律.主要考虑在裂纹扩展量不很大的情况(如冲击载荷下裂纹快速扩展的情况)下,将裂纹快速扩展-止裂过程作为一种瞬态振动问题求解,而通过能量相当(等效)的原则与断裂力学基本概念(断裂准则等)相联系.计算模型的主要假设是:在裂纹快速扩展过程中,断裂能的消耗用等效的阻尼能来表达.经过近似处理,最后归结为求解有阻尼的单自由度非线性系统在初位移下的瞬态响应计算问题.以DCB试件为例说明计算程序,并给出实例计算结果与实验结果和其他工作的比较.用涡流检测法记录裂纹快速扩展的全过程,以提供实验数据。计算结果与各种实验结果符合较好,初步证明所用的计算模型的有效性,可以作进一步的推广研究以及用于更复杂的问题.     

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。     

裂纹扩展量的检测技术

本文介绍能直接测量裂纹扩展量的涡流探头自动跟踪裂纹法及裂纹扩展计法。它们的共同特点是标定曲线与试件材料无关,并具有通用性。实践表明这些方法是有效和可靠的,且精度较高,也容易实现数据采集与处理自动化。     

测定裂纹快速扩展速度的断裂丝栅法

本文描述了测试裂纹快速扩展速度的断裂丝棚法,采用记忆存贮示波器和计算机自动数据采集和记录系统以及采用自制的 GLC-1型高速裂纹扩展速度测试仪分别测试了300Mn 钢材料的动态裂纹扩展速度,结果吻合良好.     

疲劳裂纹扩展柔度法测量系统研究

为了寻求高温高压环境介质下的疲劳裂纹扩展的测量方法,本文研制了基于柔度法的疲劳裂纹扩展系统。根据显微镜的标定结果,验证该计算机自动测量系统给出了可信的测量结果。其中,位移由涡流位移传感器测得,载荷由试验机自带的标准传感器测得。计算机实时采集并处理测试信号,给出裂纹扩展速率。文中介绍了该系统的功能及应用前景。作为应用实例,给出了４２ＣｒＶ和ＩＲ３Ｍｏ等钢种的疲劳裂纹扩展速度及门槛值。     

Johnson公式用于测紧凑拉伸试样的裂纹扩展

本文介绍了测量裂纹扩展的直流电位法中的Ｊｏｈｎｓｏｎ公式。对两侧切槽紧凑拉伸试样的标定实验和经疲劳予制裂纹试样实测表明，直流电位法的精度对试样裂纹宽度比较敏感。疲劳裂纹试样经裂端钝化效应修正后，Ｊｏｈｎｓｏｎ公式可以得到裂纹扩展量的较好测量精度     

混合强化材料中Ⅰ型快速扩展裂纹的尖端场

本文采用和提出的混合线性硬化材料的塑性本构关系,对Ⅰ型动态扩展裂纹的尖端场作了渐近分析,考察了裂纹扩展速度和混合硬化参数β对尖端场的应力应变分布的影响。数值结果表明:当强化较弱时,裂纹的扩展速度对裂纹后方的张开位移率影响很大;随β的减小,裂纹扩展速度对各个量的影响增强。本文的结果对裂纹扩展准则的研究是有意义的。     

增韧环氧树脂的动态裂纹扩展研究

本文主要进行了环氧及增韧环氧树脂的断裂韧性及裂纹快速扩展的试验研究。试验过程中采用了ＧＬＣ－１型高速裂纹扩展测试仪来测试裂纹的扩展速度,得到在裂纹扩展过程中裂纹扩展速度曲线。本文结合不同的计算公式及有限元分析方法,讨论了各个确定断裂韧性公式的准确程度,发现传统的静态断裂韧性的分析方法所得到的结果偏大,有一定的危险性,建议使用试验与数值计算相结合的方法;同时还发现增韧不仅可以提高材料的静态和动态断裂性能,而且在裂纹扩展过程中可以起到减缓裂纹扩展的作用     

爆炸载荷下裂纹扩展方向预测的研究

借助动态焦散线方法测试结果,对裂纹尖端初始曲线范围内的第二应力张量不变量分布进行了分析,并通过Det.(iσj)准则对爆炸载荷下裂纹扩展的方向及临界条件进行预测。结果表明,爆炸应力波作用下,裂纹尖端初始曲线范围内第二应力张量不变量最大值与裂纹尖端动态应力强度因子有相同的变化规律,完全可以反映裂纹尖端的动态行为。Det.(iσj)准则用于分析爆炸应力波作用下缺陷介质裂纹扩展行为是十分有效的,特别是对于裂纹起始扩展方向及扩展临界条件有准确的描述。     

动态裂纹扩展中的分形效应

假设裂纹顶端沿着分形轨迹运动，建立了裂纹扩展的分形弯折（ｋｉｎｋｉｎｇ）模型来描述裂纹的动态扩展。根据这个模型，我们推导了分形裂纹扩展对劝态应力强度和裂纹速度的影响．动态应力强度因子与表观应力强度因子之比Ｋ（ｌ（ｔ），Ｖ）／Ｋ（Ｌ（ｔ），Ｏ）是表观裂纹速度Ｖ＿Ｏ，材料微结构参数（ｄ／Δａ），分维Ｄ和裂纹扩展路径的弯折角θ的函数。本文研究结果表明：在分形裂纹扩展中，表观（或量测）的裂纹速度Ｖ＿Ｏ很难接近Ｒａｙｌｅｉｇｈ波速Ｃ＿ｒ．动态断裂实验中Ｖ＿Ｏ明显低于Ｃ＿ｒ的原因可能是分形裂纹扩展效应所致。材料的微结构，裂纹扩展路径的分维和弯折角均很强地影响动态应力强度因子和裂纹扩展速度。     

一种基于DIC测量单边缺口拉伸试件CTOD阻力曲线的简便方法

针对测量单边缺口拉伸(SENT)试样的裂纹尖端张口位移(CTOD)阻力曲线时,延性裂纹扩展量的计算过于复杂的问题,提出了一种由数字图像相关技术(DIC)计算的变形场来确定裂纹尖端位置,并快速推算延性裂纹扩展量的方法。该方法首先在缺口和裂纹上下方的弹性区域设置两条平行横线;然后通过两条横线间的位移差构建曲线,曲线变化幅度的临界点即为裂纹端部的位置;根据临界点位置计算裂纹扩展量,最后测量CTOD并构建阻力曲线。将本文方法与另一种通过DIC测量SENT试样CTOD阻力曲线的方法进行对比,结果表明本文方法经过简便的计算后拟合的阻力曲线效果更好。     

爆炸应力波对高速扩展裂纹影响的动态光弹性试验研究

本文用动态光弹性模拟试验和分析方法,观察和分析研究了爆炸应力波对高速扩展的运动裂纹扩展方向和扩展速度的影响过程和机理。结果表明:当[裂纹扩展方向与入射膨胀波(P波)波阵面法线的夹角]=0时,P波的作用不会改变裂纹的扩展方向,但使其扩展速度发生变化,入射剪切波(S波)能使裂纹改变扩展方向;当0/2时,P波和S波都能改变裂纹扩展方向,而且,P波使裂纹扩展速度降低,S波使裂纹扩展速度提高。这一试验研究对于理解爆炸、冲击载荷与扩展裂纹相互作用的机理,对于理解控制、光面、预裂爆破中相邻炮孔之间后爆炮孔产生的应力波与先爆炮孔壁上产生的裂纹的相互作用具有理论和实际意义。     

含节理岩体爆生裂纹扩展的动焦散模型实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟含节理岩体断裂爆破过程,进行了PMMA模型透射式动态焦散线实验,着重研究了爆炸初始裂纹与节理面不同夹角的情况下,裂纹尖端动态应力强度因子的变化规律,裂纹穿过节理面的扩展规律,以及裂纹扩展速度的变化规律。实验结果分析表明,爆生裂纹穿过节理面时,裂纹尖端的动态应力强度因子和裂纹扩展速度显著下降,穿过节理面后,应力强度因子又有所增强;裂纹穿过节理面时,裂纹会沿节理面偏离一段距离后沿初始裂纹方向继续扩展。研究结果可以为节理岩体的断裂爆破提供理论依据。     

Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的弹黏塑性渐近场

考虑材料的黏性效应建立了Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的力学模型,假设黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比,通过分析使尖端场的弹、黏、塑性得到合理匹配,并给出边界条件作为扩展裂纹定解的补充条件,对理想塑性材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了弹黏塑性渐近分析,得到了不含间断的连续解,并讨论了Ⅱ型裂纹数值解的性质随各参数的变化规律.分析表明应力和应变均具有幂奇异性,对于Ⅱ型裂纹,裂尖场不含弹性卸载区.引入Airy应力函数,求得了Ⅱ型准静态裂纹尖端场的控制方程,并进行了数值分析,给出了裂纹尖端的应力应变场.当裂纹扩展速度(M→0)趋于零时,动态解趋于准静态解,表明准静态解是动态解的特殊形式.     

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。     

扩展裂纹准静态渐近解中的矛盾

裂纹尖端附近的应力应变场是一个相当复杂的问题,对于不同的情况,这个场具有完全不同的渐近属性.具体说来,场的渐近属性取决于裂纹状态(静止还是扩展)、几何特征(平面应变还是平面应力)、加载速度(准静态还是动态)、裂纹型式(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型)及材料性质(弹性、塑性、蠕变、……).其中,人们较为重视的一种情况是扩展裂纹尖端的塑性场.而且,为了使问题简化,通常采用准静态假定.对于理想塑性材料Ⅲ型扩展裂纹的渐近解由Chitaley和McClintock给出.对于Ⅰ型裂纹,Slepyan采用Tresca属服条件给出了渐近解,高玉臣和Rice采用Mises屈服条件得到了渐近解,但这些解只适用于     

加载角度对层理页岩裂纹扩展影响的实验研究

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对页岩进行冲击实验,研究层理角度对页岩动态断裂过程的影响,在裂尖设置裂纹扩展计,借助高速摄影和数字图像相关（DIC）技术对页岩中心切槽半圆盘弯曲（NSCB）试件断裂的全过程进行研究,得到了不同加载角度下页岩的动态起裂韧度、裂纹扩展速度、断裂过程中应变场和水平位移场的变化规律。实验发现:不同加载角度下,页岩的动态起裂韧度具有显著的各向异性,加载角度与动态起裂韧度呈正相关;加载角度对试样的裂纹扩展速度具有显著影响,与裂纹扩展速度呈负相关;当冲击速度较低时,切槽方向是裂纹扩展的优势方向,而当冲击速度较高时,试样会产生沿层理弱面的次生裂纹,次生裂纹对试样的断裂具有显著影响。     

裂纹扩展速度对焦散线的影响和动态应力光学常数的测定

本文从焦散线形成原理的数学描述出发,用扩展裂纹尖端附近的应力分量表达式,在前人工作的基础上,作了详细的数值计算。特别分析了裂纹扩展速度对焦散斑和初始曲线的形状、大小的影响,为测量扩展裂纹尖端的动态应力强度因子K_1~d提供了依据,并通过拟合得到了以裂纹扩展速度为参量的修正因子表达式。本文还提出了一种测定透明材料动态应力光学常数的方法,并用这一方法测定了有机玻璃的动态应力光学常数。     

Ⅲ型定常扩展裂纹变形场的数值模拟与裂纹扩展阻力比

本文讨论对于各向异性硬化材料,裂纹定常扩展过程中,Ⅲ型裂纹的有限元分析的结果.利用数值计算结果,确定了(1)理想弹塑性;(2)各向同性硬化;(3)各向异性硬化三种情况下的局部渐近解的待定系数.得到了Ⅲ型定常扩展裂纹的全场解.指出,对于考虑各向异性硬化的材料,开口位移的近尖端断裂准则与裂纹尖端应变准则所描写的裂纹扩展阻力是不同的.它受到各向异性硬化参数M与硬化指数N的强烈影响.     

拉伸载荷下表面裂纹疲劳扩展规律的试验研究

本文用LY12-R板材进行了表面裂纹疲劳扩展试验。对试验技术及数据处理中的若干同题:铝合金的勾线方法、不勾线的直读法、勾线过程中循环次数的处理、da|dN·dc|dN的计算方法等进行了研究。对拉伸疲劳下的回复现象进行了观察。研究了拉伸载荷下半椭圆表面裂纹的形状变化规律,得到了LY12-R板材的表面裂纹扩展速率并得到了经验关系式da=f(dc)。根据此经验关系式可对疲劳扩展过程中的裂纹深度进行估算,估计值与实测值符合很好。