广义平均形状改变能密度断裂准则及应用

基于形状改变能为材料起裂扩展控制参量的物理事实及裂纹尖端断裂控制区能量平均概念,提出了计及裂纹尖端应力场特征级数展开奇异项和常数项的广义平均形状改变能密度(GADSED)准则,建立了I-II-III 混合型裂纹断裂判据计算式,为工程结构疲劳断裂评估提供了新选择．基于提出的GADSED 准则,系统分析了T应力对裂纹断裂判据的影响,结果表明：当参数|Ba|数值相同时：负值T应力的I-II 混合型裂纹更易起裂扩展,正值T应力的KΙf值高于负值T应力的KΙf值,正负T应力的KIIf值相同;T应力在区间0 < Bα < 0.45 时增大了KΙf值（3 %以内）,T应力降低了KIIf值．根据GADSED 准则完成了双轴疲劳载荷平板表面I 型裂纹扩展寿命预报,结果表明：基于GADSED 准则的裂纹扩展寿命预报值约为传统方法预报值的40.7 %,可为工程实际评估提供借鉴．     

正交异性板复合型裂纹相对周向应力断裂准则

采用相对周向应力为断裂参数，提出正交异性板任意方向的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的最大相对向应力断裂,准则，应用本准则确定开裂方向角时，能较合理地考虑材料特性的影响。     

U形切口的有限断裂准则

有限断裂力学准则综合了应力和能量参数,假设裂纹或切口端部有限裂纹长度的增长．特别地,该有限裂纹的长度不是材料的基本常数,而是与构件的结构有关．基于U形切口两种形式：点方式和线方式有限断裂准则,对文献中的铝合金U形切口三点弯曲断裂实验进行了分析验证．一方面基于材料的断裂韧度和抗拉强度,预测切口件断裂载荷;另一方面根据几组不同的切口根部半径及其对应的临界切口应力强度因子,同时估算材料的断裂参数：断裂韧度和抗拉强度．将点方式和线方式两种不同形式有限断裂准则的预测结果,与平均周向应力准则、最大周向应力准则以及文献中相关结果进行了比较得出：无论是预测断裂载荷还是估算材料断裂参数,线方式有限断裂准则,与文献中相关结果比较吻合,尤其是估算的断裂韧度精度较高．     

SHPB冲击加载下四种岩石的复合型动态断裂实验研究

分别用绿砂岩、黄砂岩、灰砂岩、大理岩制作了三种几何相似的(φ80mm、φ122mm、φ155mm)中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样;利用分离式霍普金森压杆加载,进行了I型和I-II型复合动态断裂实验,并由实验结合有限元分析得到了四种岩石材料的I、II型动态断裂韧度KId、KIId。研究表明:动态断裂韧度均存在尺寸效应,试样尺寸对I-II型复合比和纯II型加载角均会产生影响,复合比随尺寸的增大而减小,大尺寸试样II型加载的加载角比小尺寸试样的小。同时,由于负值的T应力显著减小了裂纹的起裂角,用广义最大拉应力准则预测的起裂角更符合实验结果。     

修正的拉应力裂纹扩展准则及裂隙\=水压对裂纹扩展的影响

对脆性材料的第一主应力--拉应力裂纹扩展准则进行了补充和修正,修正的裂纹扩展准则能确定裂纹扩展步长.以平面斜置裂纹扩展为例,利用无网格Galerkin方法,对不含裂隙水压的二维裂纹扩展进行数值模拟,计算结果与试验结果一致,表明最大周向拉应力准则的正确性.在不同裂隙水压条件下,研究了二维裂纹初始破裂,并在给定水压下对二维裂纹扩展路径进行了数值模拟跟踪.结果表明裂隙水压对裂纹初始破裂方向、破裂步长、破裂载荷和裂隙岩体破裂强度有显著影响.有水压和无水压的扩展迹线不同,但后续的扩展趋势相同.     

描述复合型疲劳裂纹扩展路径的等效模型

复合型裂纹的扩展路径不同于Ⅰ型裂纹,会沿着与初始裂纹面不同的方向扩展,扩展路径的准确预测对扩展速率的评估具有重要的作用。采用最大周向应力准则和最小应变能密度准则进行扩展路径的预测时,开裂角的误差会使裂纹不断偏离实际路径,造成最终结果的较大偏差。本文将复合裂纹在扩展过程中的弯折裂纹简化为直线裂纹,对简化过程中所产生的误差进行定量分析,并在此基础上提出了一种描述复合型裂纹扩展路径的等效修正模型。将此模型写入ABAQUS扩展有限元模块,实现了基于等效修正模型的疲劳裂纹扩展程序。通过对含中心斜裂纹板的疲劳裂纹扩展试验,验证了本模型的有效性,预测的开裂角与试验结果基本一致,所得到的载荷循环次数低于试验值,对含裂纹结构的寿命评估偏于保守。     

钢轨表面剥离掉块路径预测研究

轮轨滚动接触下,钢轨表面会产生典型的鱼钩形剥离掉块,其形成机理目前暂未明确.为了探究轮轨滚动接触下钢轨表面裂纹扩展机理,基于最大周向拉应力准则,建立轮轨滚动接触疲劳计算模型,提出裂尖扩展路径预测方法,并对不同初始角度裂纹的扩展路径进行预测.结果表明,钢轨表面微裂纹为Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,随着裂纹长度增加,KⅠ先增加后减小,...     

三点弯曲型试件Ⅰ/Ⅱ复合型断裂的数值与实验研究

三点弯曲试件常被用来研究材料的纯Ⅰ型及Ⅰ/Ⅱ复合型断裂性能。使用Abaqus软件通过有限元法获得三点弯曲试件不同跨长比2S/L、相对裂纹长度a和裂纹倾角β下的Ⅰ型与Ⅱ型无量纲应力强度因子。由有限元结果可知,在相对裂纹长度一定时,跨长比越小,裂纹倾角越小,Ⅰ型无量纲应力强度因子可取得0,即越容易得到纯Ⅱ型断裂。当跨长比相同时,相对裂纹长度越大越容易得到纯Ⅱ型断裂。使用6组共24个三点弯曲试件,研究砂岩的纯Ⅰ型、纯Ⅱ型以及复合型加载时的断裂韧度,得到该种砂岩的纯Ⅰ型断裂韧度为0.786MPa·m0.5,纯Ⅱ型断裂韧度为0.344MPa·m0.5。实验结果与最大周向应力(MTS)准则和广义最大周向应力(GMTS)准则的预测结果进行对比,比较结果显示GMTS准则更能准确地预测实验结果。     

钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析

在车轮循环滚动接触载荷作用下，钢轨接触表面裂纹问题频发，严重威胁高速列车运行安全，开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先，考虑不同初始裂纹角度，建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型，对钢轨表面施加循环滚动接触载荷，进行轮轨滚动接触计算；然后，基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子；最后，采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率，进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现，从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明，随着初始裂纹角度增加，K_Ⅰ的峰值逐渐减小，K_Ⅱ的峰值逐渐增大，裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小；裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面，等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明，随着循环次数的增加，不同初始角度下的裂纹都发生了偏折，逐渐朝着钢轨深度方向扩展，且裂纹的初始角度越大，发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现，初始裂纹角度越小，裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用...     

Ⅱ型加载条件下页岩断裂行为的预测研究

实际工程中岩体往往处于Ⅰ型和Ⅱ型加载同时存在的状态，而这种复合加载条件下岩石断裂行为的预测较为复杂，也是迫切需要解决的问题。本文基于Ⅰ型加载条件下测试得到的页岩试样断裂韧度，应用MTS(Maximum Tangential Stress,最大切向应力)断裂准则对页岩试样在Ⅱ型加载条件下的裂纹起裂角以及断裂韧度进行了预测。为评估预测效果，通过Ⅱ型加载条件下2种尺寸页岩断裂试验，发现Ⅰ型断裂韧度随岩样尺寸变化的趋势不同，Ⅱ型断裂韧度基本没有尺寸效应。通过比较预测结果以及试验结果发现，利用传统的MTS断裂准则预测的理论值与试验测试值相差较大。在预测过程中断裂过程区尺寸的确定也是非常重要的，如果不考虑断裂过程区的尺寸效应同样会造成很大的预测误差。结合MTS准则确定的断裂过程区尺寸，利用GMTS(Generalized Maximum Tangential Stress,广义最大切向应力)断裂准则预测的岩样裂纹起裂角以及断裂韧度都与试验测试值非常接近。     

表面裂纹准静态扩展的有限元模拟计算

由于现有断裂准则未能考虑表面裂纹前沿各点实际断裂阻力的变化，所作的表面裂纹准静态扩展模拟计算不能委好地预测几何形貌的真实变化规律。本文提出了一个考虑应力状态不同对实际断裂阻力影响的变阻力断裂准则；并以该准则作为表面裂纹前沿局部断裂扩展的判据，通过三维有限元法进行表面裂纹准静态扩展的模拟计算。     

表面裂纹准静态扩展的有限元模拟计算

由于现有断裂准则未能考虑表面裂纹前沿各点实际断裂阻力的变化，所作的表面裂纹准静态扩展模拟计算不能很好地预测几何形貌的真实变化规律。本文提出了一个考虑应力状态不同对实际断裂阻力影响的变阻力断裂准则；并以该准则作为表面裂纹前沿局部断裂扩展的判据，通过三维有限元法进行了表面裂纹准静态扩展的模拟计算；还将模拟预测值与用多试件法测得的实验值进行比较，验证了变阻力断裂准则作为裂纹稳态扩展判据的有效性     

岩石蠕变断裂特性的试验研究

以一类红砂岩为例对蠕变条件下岩石裂纹的起裂和扩展的机理、准则进行了试验研究和理论分析．试验结果表明，岩石裂纹常常在初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC的情况下，经过一段时间的持续蠕变变形产生裂纹起裂和扩展．当然，初始应力强度因子KI小于断裂韧度KIC是有限度的，KI不得小于另一固定值KIC2，KIC2表征了岩石在蠕变条件下抵抗裂纹起裂和扩展的能力，而且其值小于KIC，可称之为蠕变断裂韧度．在岩石工程的设计和计算中，KIC2是一个重要参数．     

脆性材料在双向应力下的断裂实验与理论分析

研究了脆性材料在双向应力下的断裂特性和失效机理，特别是在平行于裂纹的应力对临界断裂参数的影响方面进行了实验上和理论上的研究．采用玻璃、陶瓷等脆性材料进行了平面双向拉伸和单向拉伸试验，并对实验结果进行比较．观测直通裂纹的启裂和扩展过程，证明了双向应力对裂纹驱动力有明显影响，讨论了裂纹扩展的应变准则．     

三维斜置半圆形表面裂纹扩展数值模拟

以裂纹前沿局部坐标中主法平面内的最大周向拉应力作为控制参数,对第一主应力拉应力裂纹扩展准则进行了补充和修正.修正后的拉应力裂纹扩展准则称为最大周向拉应力裂纹扩展准则.它不仅可以有效地确定裂纹扩展方位、扩展方向和扩展条件,而且可以有效地确定裂纹扩展步长.根据修正的裂纹扩展准则,给出了三维裂纹曲面的数学描述方式,可以有效地模拟扩展曲面的弯折和扭曲.     

单向轴压条件下内置椭圆三维裂纹扩展无网格方法的研究

根据三维裂纹前沿局部坐标系中主法平面内的周向应力计算公式,可以确定主法平面内的最大周向应力σθ,并由最大周向拉应力裂纹破裂准则确定裂隙岩体的破裂载荷和裂纹的破裂方向以及破裂步长。在三维无网格方法的节点的影响域中,选择合适的节点密度,以确保计算精度,并对单向轴压条件下内置三维裂纹扩展进行了数值模拟研究。根据数值计算结果,分析了破裂载荷、裂纹扩展角和扩展步长,揭示了内置三维裂纹的破裂过程,结合插值法清楚地展示了三维裂纹的破裂曲面形态。研究结果表明,针对三维裂纹破裂过程和破裂曲面形态无网格方法数值计算结果与FLAC-3D计算结果和试验结果吻合较好。     

航空结构铝合金Ⅰ/Ⅱ复合型断裂的三维弹塑性数值分析

在LC4CS铝合金三维Ⅰ/Ⅱ复合型断裂实验的基础上,对Ⅰ/Ⅱ复合型加载模型进行了细致的三维弹塑性有限元计算,系统分析了不同复合度φ和厚度B对裂纹端部应力场和起裂角的影响.结果表明,对于不同φ和B的试样,周向应力极大值和三维离面约束因子极小值出现在相同的角度;根据最大周向应力准则,在Ⅰ型载荷占主导(βeq＞65.45°)...     

聚乙烯Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展实验研究

本文采用中密度聚乙烯(MDPE)单边斜切口板状试样,完成了多种条件下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验。通过对裂尖和裂尖银纹区演化的全程显微测量,获取了各试样疲劳裂纹扩展过程的一致性特征,其过程分为初始银纹区萌生、银纹区转向、裂纹宏观扩展三个阶段。通过计算发现最大周向拉应力准则能精确预测第一阶段初始银纹区的萌生角度。试验表明第二阶段中银纹区发生转向,且第三阶段中裂纹始终沿垂直于外载荷方向的路径扩展,该现象通过银纹机理结合对裂尖奇异场的分析得到了解释,并从断面分析中得到印证。对比不同加载角下试样的裂纹扩展过程,发现裂纹萌生时间随加载角增大显著增长,但裂纹扩展特征一致。     

柱状电极屈曲或裂纹扩展的临界力学参数研究

柱形结构电极是近年来使用最为广泛的锂电池电极结构之一．本文以硅材料细长柱形电极为例，研究了充电电流大小、电极长径比、初始裂纹长度以及断裂韧性对于电极的屈曲现象和裂纹扩展现象发生时间的影响．计算结果表明，屈曲与裂纹扩展现象出现的先后顺序与充电电流大小无关；具有小的长径比，大的初始裂纹长度以及较小断裂韧性的电极，裂纹扩展比屈曲现象更早发生．对于硅材料，不同长径比的电极具有不同临界断裂韧性值，当材料的断裂韧性小于该临界值，在锂化过程中裂纹扩展会先于屈曲现象发生；该临界断裂韧性值随初始裂纹长度的增加而增加．本文的结论对于电极的结构设计以及材料选取具有一定指导意义．     

含偏置裂纹三点弯曲梁的动态断裂行为研究

采用动态焦散线方法，对含偏置裂纹三点弯曲梁承受横向冲击的弯曲断裂行为进行了一系列动态断裂力学实验研究，分析了无量纲量ａ／ｌ的改变（ａ——初始裂纹偏离梁中心线的距离；ｌ——梁长度的一半）对于裂纹动态扩展行为（裂纹起始状态、裂纹尖端的复合应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展轨迹）的影响，并借助动态光弹性应力分析，对应力波与扩展裂纹的相互作用以及应力波传播规律进行探讨．给出了裂纹尖端复合应力强度因子、裂纹扩展速度的变化、裂纹曲裂轨迹以及方向与梁中应力波传播的相互关系