无量纲载荷分离法在延性断裂韧性测定中的应用

鉴于现行载荷分离理论中存在的量纲不对等问题,依据相似原理提出了无量纲载荷分离法。弹塑性有限元分析结果较好地验证了对应于CT和SEB试样的无量纲载荷分离的普适性。基于无量纲载荷分离新方法,提出了改进的分离参数Spb法。新方法消除了参考钝裂纹试样及标定点选择的影响,通过同卸载柔度法的对比研究,新方法的可行性得到了验证。采用新方法完成了某输气管道焊接球阀的CTOD评定。     

山形切口三点弯曲试样的SIF柔度标定及应用

本文对三组不同比例尺寸的山形切口三点弯曲试样,进行了直接实验柔度标定,由此确定了应力强度因子(SIF)系数表达式.以此标定结果,测定了工具铜 T10A 的断裂韧度 K_(ICV),并同 GB4161-84方法测定的断裂韧度 K_(IC)进行了比较,二者符合较好.     

半无限横观各向同性体中共面双裂纹边界元分析

基于双横观各向同性材料基本解的对偶边界元方法,分析了半无限横观各向同性材料中两条共面裂纹的相互作用问题。裂纹面上分别作用着法向和切向两种均布荷载,材料的各向同性面及裂纹面平行于半无限域自由面。数值计算得到了该类裂纹的应力强度因子(SIF)值和两条共面裂纹相互作用的SIF值影响系数。根据数值结果分析了自由面对该类裂纹SIF值的影响,以及裂纹间距与形状、自由面对SIF值影响系数的影响。结果表明,自由面对作用法向力时的该类裂纹SIF值有明显的影响,裂纹间距与形状对SIF值影响系数影响较大,但自由面对SIF值影响系数基本无影响。     

用裂纹张开位移全场拟合法求应力强度因子-边裂纹问题

从一组给定的的裂纹张开位移（COD）资料求应力强度因子（SIF）的好方法应具有以下特征：（1）这个方法应最大限度地利用已知的COD信息；（2）数值计算只包含位移量；（3）后处理简单；（4）所得到的SIF的误差可由COD资料本身的误差来估计。该文将求内裂纹SIF的COD全场拟合法扩充应用到边裂纹问题，该方法具有上述优点。对几种典型的边裂纹用边界元法得到的COD资料，用这种方法得到了可靠性高、一致性好的SIF，其计算精度与所用的COD资料的平均精度具有相同的量级。     

用无限相似单元法计算拱形试样的K_I和柔度

如图1所示的拱形三点弯曲试样易于从环管类构件上取样,试验也方便,因而是一种颇有实用意义的断裂韧度测试试样.陈篪等同志首先提出了这种试样,并用柔度法从实验标定获得了K_I 和BEC 数据.本工作报道拱形试样三点弯曲情况的K_I 和BEC及纯弯曲情况(图2)的K_I 计算结果.计算纯弯曲情况是为了用等效力系原理导出K_I 的一般表达式.文中K_I 均为无量纲形式K_I~*=(K_IBW~(3/2))/M,式中:B 为试样厚度;W=R_1-R_2为试样宽度;M 为裂纹平面上弯矩.     

中心直裂纹平台巴西圆盘复合型动态应力强度因子

为了指导用中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样进行岩石复合型动态断裂 试验,利用有限元法首先验证了文献中对中心直裂纹巴西圆盘(CSTBD)得到的有关结果,分析 比较了不同无量纲裂纹长度(即裂纹半长和圆盘半径之比)时两种圆盘的I, II型动态应力 强度因子的时间历程,发现两者的差异大部分在10{\%}以内,同时验证了该文数值方法的可 靠性. 然后讨论了CSTFBD试样I, II型动态应力强度因子的复合比、起裂角以及纯II型加 载角. 研究成果可为复合型动态断裂试验中CSTFBD试样的加工、试样上应变片的粘贴、起裂 方向和起裂时间的估计等提供参考.     

肌肉类粘弹性超软材料SHPB实验的应力应变均匀性分析

试样的轴向应力和应变均匀问题是霍普金森杆实验行之有效的必要条件,而这对肌肉类粘弹性超软材料尤为重要.本文用量纲分析法,分析出了影响粘弹性材料SHPB实验应力和应变均匀性的无量纲量,结合LS-DYNA数值模拟方法,考察了各无量纲量对粘弹性材料均匀性的影响规律.结果表明,为使肌肉类材料SHPB实验更早达到均匀条件,理想的入...     

表面裂纹疲劳扩展的数值模拟(Ⅱ)

根据Paris疲劳裂纹扩展规律,对拉伸和纯弯曲疲劳载荷下表面裂纹扩展进行了数值模拟。数值模型中,用三次样条函数曲线拟合裂纹尖端,在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。裂纹形状演化的模拟结果与Newman和Raju经验公式预测结果进行了比较,表明了所采用的数值模拟方法的实用性。研究发现,裂纹闭合对疲劳裂纹扩展过程中的裂纹形状演化以及裂纹尖端的应力强度因子(SIF)分布都有明显影响。同裂纹形状演化一样,疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端的SIF分布表现出明显的特征。最后,建议了一个简单函数来统一描述表面裂纹尖端的SIF分布。     

弹性地基上转动FGM梁自由振动的DTM分析

基于Euler-Bernoulli梁理论,利用广义Hamilton原理推导得到弹性地基上转动功能梯度材料(FGM)梁横向自由振动的运动控制微分方程并进行无量纲化,采用微分变换法(DTM)对无量纲控制微分方程及其边界条件进行变换,计算了弹性地基上转动FGM梁在夹紧-夹紧、夹紧-简支和夹紧-自由三种边界条件下横向自由振动的无量纲固有频率,再将控制微分方程退化到无转动和地基时的FGM梁,计算其不同梯度指数时第一阶无量纲固有频率值,并和已有文献的FEM和Lagrange乘子法计算结果进行比较,数值完全吻合。计算结果表明,三种边界条件下FGM梁的无量纲固有频率随无量纲转速和无量纲弹性地基模量的增大而增大;在一定无量纲转速和无量纲弹性地基模量下,FGM梁的无量纲固有频率随着FGM梯度指数的增大而减小;但在夹紧-简支和夹紧-自由边界条件下,一阶无量纲固有频率几乎不变。     

冠状毛细血管长度非线性变化及渗透作用下的毛细血管血液流动

建立冠状毛细血管内血流的血液动力学模型，研究毛细血管长度沿轴向的非线性变化及冠状毛细血管与周围组织的渗透和物质交换对血液流动的影响。考虑单根长弹性并具有通透性的冠状毛细血管，毛细血管长度非线性变化，毛细血管内血液为粘性不可压缩牛顿流体，跨壁滤过遵循Starling定律，血浆胶体渗透压和血浆蛋白浓度成线性关系。建立血管半径的无量纲方程，数值求解不同生理参数情况下，左心室壁不同层中毛细血管沿长度平均的无量纲半径和不同层毛细血管的平均流量。结果显示，冠状毛细血管与周围组织的渗透和物质交换及毛细血管长度沿轴向的非线性变化对平均无量纲半径和平均出口流量几乎没有影响；而对弹性模量较小的毛细血管，则对心脏收缩期时的平均进口流量有不同程度的影响。     

预制裂缝宽度对HCFBD试件确定岩石断裂韧度的影响

为了考察人工预制裂缝宽度对确定岩石断裂韧度的影响,采用大理岩制作了含有不同预制裂缝宽度的中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件(hole-cracked flattened Brazilian disc, HCFBD),在RMT150B试验机上进行试验,对不同预制裂缝宽度圆盘的应力强度因子进行有限元计算,并对测试方法进行了研究。结果表明,采用将预制裂缝宽度视作零宽度裂缝方法确定的断裂韧度值偏低,给出了一种采用最小载荷和最大无量纲应力强度因子确定岩石断裂韧度的新方法,该方法能够消除预制裂缝宽度对圆盘试件测定岩石断裂韧度的影响。     

数字梯度敏感方法及其在航空透明件断裂力学中的应用

本文将数字梯度敏感方法用于航空透明件断裂力学问题研究。首先,基于透明材料的弹性-光学效应,建立了透明件应力状态与光线穿过透明件后的偏转角之间的关系。在平面应力假设下,利用最小二乘拟合建立了I型裂纹尖端应力强度因子与光学偏转角的关系。其次,通过数字梯度敏感方法搭建非接触光学测试平台,开展了带单边裂纹的航空有机玻璃试件三点弯曲实验,应用数字梯度敏感方法提取了I型裂纹尖端应力强度因子。最后,通过选择不同计算子区域和步长大小,分析了数字梯度敏感方法中的子区域和步长选择对计算结果的影响。研究结果表明,数字梯度敏感方法实验所得应力强度因子与经验公式计算所得结果偏差小于10%,通过增加最小二乘拟合项数以及合理的子区域和步长选择可以减小数字梯度敏感方法计算应力强度因子误差。     

Geometric functions of stress intensity factor solutions for spot welds in lap-shear specimens

In this paper, the stress intensity factor solutions for spot welds in lap-shear specimens are investigated by finite element analyses. Three-dimensional finite element models are developed for lap-shear specimens to obtain accurate stress intensity factor solutions. In contrast to the existing investigations of the stress intensity factor solutions based on the finite element analyses, various ratios of the sheet thickness, the half specimen width, the overlap length, and the specimen length to the nugget radius are considered in this investigation. The computational results confirm the functional dependence on the nugget radius and sheet thickness of the stress intensity factor solutions of [Zhang, S., 1997. Stress intensities at spot welds. International Journal of Fracture 88, 167–185; Zhang, S., 1999. Approximate stress intensity factors and notch stresses for common spot-welded specimens. Welding Journal 78, 173s–179s]. The computational results provide some geometric functions in terms of the normalized specimen width, the normalized overlap length, and the normalized specimen length to the stress intensity factor solutions of [Zhang, S., 1997. Stress intensities at spot welds. International Journal of Fracture 88, 167–185; Zhang, S., 1999. Approximate stress intensity factors and notch stresses for common spot-welded specimens. Welding Journal 78, 173s–179s] for lap-shear specimens. The computational results also indicate that when the spacing between spot welds decreases, the mode I stress intensity factor solution at the critical locations increases and the mode mixture of the stress intensity factors changes consequently. Finally, based on the analytical and computational results, the dimensions of lap-shear specimens and the corresponding approximate stress intensity factor solutions are suggested.     

电可通纳米尺度孔边均布多裂纹的电弹断裂分析

解析研究了面内电载荷和反平面机械载荷作用下压电体中纳米尺度圆孔边均布电可通多裂纹问题的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论,利用保角映射方法和复变弹性理论给出了裂纹尖端电弹场分布、电弹场强度因子及能量释放率的解析结果。阐述了无量纲电弹场强度因子、无量纲能量释放率的尺寸依赖效应,讨论了裂纹数量和缺陷几何参数对无量纲场强度因子和无量纲能量释放率的影响。结果表明：无量纲电弹场强度因子和无量纲能量释放率具有显著的尺寸依赖效应;考虑表面效应,孔径和裂纹长度相当时,电弹场强度因子达到最大;裂纹/孔径比对电弹场强度因子随裂纹数量变化的制约会随着裂纹数量的增加而逐渐消失;过大或过小的裂纹孔径比会削弱裂纹长度对能量释放率的影响。     

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.     

电可通纳米尺度孔边均布多裂纹的电弹断裂分析

解析研究了面内电载荷和反平面机械载荷作用下压电体中纳米尺度圆孔边均布电可通多裂纹问题的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论，利用保角映射方法和复变弹性理论给出了裂纹尖端电弹场分布、电弹场强度因子及能量释放率的解析结果。阐述了无量纲电弹场强度因子、无量纲能量释放率的尺寸依赖效应，讨论了裂纹数量和缺陷几何参数对无量纲场强度因子和无量纲能量释放率的影响。结果表明：无量纲电弹场强度因子和无量纲能量释放率具有显著的尺寸依赖效应；考虑表面效应，孔径和裂纹长度相当时，电弹场强度因子达到最大；裂纹/孔径比对电弹场强度因子随裂纹数量变化的制约会随着裂纹数量的增加而逐渐消失；过大或过小的裂纹孔径比会削弱裂纹长度对能量释放率的影响。     

压缩双裂纹和单裂纹圆孔板应力强度因子公式

从理论模型和数值分析上澄清了国外文献关于压缩双裂纹圆孔板(double cleavage drilled compression,DCDC) 的应力强度因子不同的公式引起的混淆. 证明Plaisted 等用修正压缩无限大板中圆孔双边裂纹的解和欧拉-伯努利梁理论得到的DCDC 应力强度因子公式都存在推导和原理性的失误. 指出Jenne 等推导的公式形式过于复杂不便使用, 而He 等的公式适用范围偏小. 通过拟合有限元法宽范围数值计算结果导出DCDC 的应力强度因子的新公式, 该公式形式简单, 对无量纲裂纹长度和无量纲板宽度适用范围较大, 最大误差是7%. 此外, 还对新提出的压缩单裂纹圆孔板(single cleavage drilled compression, SCDC)做了分析, 首次得到的SCDC应力强度因子公式的最大误差是5%. 给出的2 个公式可分别用于脆性材料DCDC 或SCDC 试样的断裂韧度测试.     

Evaluation of fracture mechanics parameters for free edges in multi-layered structures with weak singularities

This study focuses on the stress intensity factors for free edges in multi-layered structural components. The effects of elastic constants of various material combinations on the weak singularity at free edges are analyzed. Using the H-integral approach, the effects of elastic mismatch parameters, the bond area and the thickness of the thin metal layer on the stress intensity factor are quantified and the results are compared with detailed finite element solutions. A good agreement between numerical predictions obtained from the H-integral and the detailed FE results is achieved, showing the applicability of this approach. Similar to a crack problem, the singular elastic field dominates in an annular region adjacent to the notch tip. The relationship between the valid range of the K-dominated field and the thin-film thickness is then demonstrated. Furthermore, the competition of crack initiation between the free edge interface (180° opening angle) and a 90° notch interface in a generic specimen is investigated, in order to find out which is the prevailing failure mode. Comparison between isotropic Si and anisotropic Si substrate is also illustrated. Anisotropy of the Si substrate has a significant influence on the stress intensity factor when combined with an Au or Al metal layer but not with a Cu layer. Additionally, standardized numerical formulae of the dimensionless stress intensity factor have been derived to guide the engineering application.