脆性材料的均强度破坏准则

在大量工程陶瓷和玻璃力学性能研究的基础上,针对脆性材料的强度特点,提出一个新的强度准则——均强度准则.指出了脆性材料存在一个固有特征——破坏发生区,并导出了相应的解析表达式.应用该理论解释了弯曲强度的尺寸效应,给出了不同尺寸试件弯曲强度的关系式.并通过一系列实验以及格里菲斯的经典实验验证了均强度准则的正确性和可行性.为工程陶瓷等脆性材料的力学性能评价提供了一个有效的破坏准则.     

横观各向同性砂土的破坏准则

对砂土类材料,各向异性状态参数定义为材料微观结构张量与标准化偏应力张量之间的联合不变量。通过在Lade破坏准则内耦合各向异性状态参数,建立了横观各向同性砂土类材料的破坏准则,并分别结合中密和密实的Santa Monica河滩砂的扭剪和真三轴实验资料进行了验证工作。研究结果表明：局部剪切带、加荷方向与材料主轴方向间的相对方位是影响砂土内摩擦角的主要因素;与扭剪实验和真三轴实验进行验证时均发现,当中主应力比 b 在0.18~0.85范围内时,由于砂样易出现局部的剪切带,这使砂样在达到其真正的峰值强度前破坏,从而使预测出的砂土内摩擦角均大于其实测值;但当0.18b≤和0.85b≥时,砂样始终呈现无剪切带的均匀变形破坏,因此预测出的砂土内摩擦角基本等于其实测值。这些研究结果说明了该横观各向同性砂土的破坏准则是合理的。     

不同加载速度下脆性颗粒的破坏特性

对直径为8mm的K9玻璃球进行了加载速度为2×10-7和2×10-6m/s的准静态单轴压缩实验以及加载速度为3.4、7.1和10.6m/s的动态单轴压缩实验,研究了K9玻璃单颗粒破碎强度的Weibull分布特性,结合破碎产物的形貌特征,分析了不同加载速度下脆性材料拉伸破坏机制和剪切破坏机制的转变过程,提出了一种拉剪耦合的时序破坏模型,由此揭示了加载速度与3个破坏区的关系。考虑拉伸和剪切失效准则,应用ABAQUS软件进行数值模拟,并初步验证了该破坏模型的冲击过程。研究结果对于认识脆性颗粒材料的动态破坏具有很好的参考意义。     

金属材料脆性断裂机理的实验研究

材料的脆性断裂有许多准则和模型,但对脆断机理和变化规律缺乏合理的描述,给工程应用带来不便。本文对典型脆性材料球墨铸铁、灰铸铁分别进行了拉扭双轴断裂实验和常规拉伸、扭转破坏实验;对韧性金属材料合金钢进行了单轴拉伸颈缩破坏实验。通过上述实验分析了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的机理特征并选择应力三维度作为应力状态参数描述危险点的应力状态,同时考察了脆性材料和韧性材料发生脆性断裂的主导因素。结果表明:韧性材料45#钢和14CrNiMoV合金钢在颈缩断面心部应力三维度值较大时发生脆性拉断,而在颈缩断面边缘处应力三维度值较小时发生剪断;脆性材料球墨铸铁在应力三维度值为0.0～0.33之间变化时均发生脆性断裂;灰铸铁在应力三维度值大于0.0时发生脆性拉断,而在应力三维度值小于0.0时发生剪断。因此可以认为,材料的细观组织结构和危险点应力状态是影响断裂机理及变化规律的主要因素。对于同种材料,随着应力三维度代数值从小向大变化材料的断裂机制由塑性剪切断裂逐渐转变为脆性断裂。本文通过对几种材料的脆性断裂危险点和断裂方向的研究给出了脆断宏观破坏条件。     

单轴压缩下页岩类脆性材料细观损伤演化的离散元分析

了解广泛存在的类似页岩的脆性材料各向异性对工程安全具有重要意义。本研究将页岩视为粘结颗粒材料,基于离散单元方法研究了横观各向同性脆性页岩的损伤演化。再现了不同层理角的页岩试样的破坏模式,并对比了实验和数值模拟的抗压强度和弹性模量。引入微裂纹的概念,通过定义裂纹密度函数,系统地研究了单轴压缩条件下,页岩层理角对细观结构的影响。此外基于平均配位数建立了配位数变化与细观损伤的联系,并根据配位数的变化与裂纹数量将加载过程分为三个阶段,分析了不同阶段配位数与裂纹数量的对应变化关系。研究表明,页岩的裂纹密度随着层理角的增加而增加,而试样的平均配位数在加载过程中先上升后剧烈下降,颗粒集合体在单轴压缩条件下的应力应变及裂纹数量曲线与平均配位数曲线有良好的一致性。该研究揭示了横观各向同性脆性岩石的破坏过程和内在机理,将为页岩类脆性材料的工程应用提供理论指导。     

无胶结材料的离散元微观参数交互作用研究

为研究无胶结材料离散元参数之间的交互影响,采用抗转动模型进行三轴排水试验模拟。首先,采用完全试验设计方法和析因试验设计方法,分别对宏微观参数相依规律以及参数之间的交互作用进行定性分析;然后,采用多元非线性回归分析方法对其进行定量分析,并提出了考虑交互作用的宏微观参数换算理论公式。着重探讨了无胶结材料微观参数中的刚度比α=k_s/k_n(0.3~0.9)、滚动刚度系数β(0.1~3)、颗粒内摩擦角θ(10~40)、法向接触刚度k_n(1×10~7~7×10~7)以及塑性弯矩系数η(0.1~3)与材料宏观力学性质峰值应力σ_p、残余强度σ_r、弹性模量E、泊松比ν以及内摩擦角φ之间的相关关系。研究结果表明,(1)颗粒材料的宏观强度参数主要受颗粒内摩擦角以及抗转动参数影响,而其变形参数主要由颗粒接触刚度及接触刚度比控制;(2)各个微观参数之间就存在不同程度的交互作用,且交互作用对试样宏观性质将产生一定影响;(3)对峰值强度、残余强度和宏观内摩擦角而言,两抗转动参数之间以及抗转动参数与颗粒内摩擦角之间存在较强交互作用。对于宏观弹性模量和泊松比而言,颗粒接触刚度和颗粒接触刚度比与其他微观参数产生较强的交互作用。研究成果对合理科学地确定离散元模型的微观参数具有一定的指导意义。     

Matsuoka—Nakai与Lade-Duncan两破坏准则之间的相互关系

Matsuoka-Nakai和Lade-Duncan两种破坏准则在三维主应力空间中均满足外凸、连续、光滑等条件,能正确描述中间主应力对岩土类材料的区间强度效应.本文首先从理论上探讨了Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai两个破坏准则之间的相互联系,证明了Lade-Duncan 破坏准则的kL合理范围应在[kMinL,kMaxL]之间,指出了其在e平面上的投影形状是多样的.其次结合砂土的真三轴强度破坏的实验资料,验证了Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai两个破坏准则之间的相互关系,认为Lade-Duncan破坏准则的kL在[kMinL,kAveL]范围内能对岩土类材料的抗剪强度给出良好地描述.     

关于脆性岩体岩爆成因的理论分析

大型工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能,产生岩爆。针对这类岩爆现象进行了一系列理论探讨,认为:(1)开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂,破裂角一般较小,呈薄片状或刀口状。笔者认为开挖产生次生张应力和压剪应力条件下微裂纹裂尖出现张应力是可能的,因此采用格里菲斯强度理论研究开挖岩体破裂是有效的; (2)以格里菲斯强度理论为基础,分析了岩体在二维和三维情形下的岩爆破裂应力判据和破裂角,指出在有张应力的条件下,岩体的剪破裂角会减小,直至为零,这就解释了开挖面附近薄片状、刀口状破裂现象的原因; (3)分析了脆性岩体岩爆破裂的能量过程,指出张性破裂所耗能量较小,而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能,并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征; (4)本文理论分析成果的工程应用价值在于:可以预示开挖脆性岩体破裂部位、破裂方式和破裂范围; 提出岩爆破裂的张性应力控制依据。     

模拟岩石材料脆性破裂过程的三维离散元模型

发展一种能够模拟岩石材料脆性破裂过程的三维不规则、可变形块体离散元模型.一方面,在裂纹扩展过程中动态地将潜在破坏的连续块体沿潜在破坏方向细化为若干子块体,并在子块体之间的界面上设置连接型弹簧;另一方面,连接型弹簧在满足张拉-剪切复合破坏准则时发生脆性破裂,转变为接触型弹簧,实现材料由连续到非连续的破裂.借助动态松弛技术完成求解,通过计算实例验证该方法的适用性.     

脆性材料的分形统计强度理论

基于脆性材料中裂纹尺度的分形分面和最弱环原理的假设，导出了裂纹尺频分布的分形维数Ｄ与经典统计强度理论中Ｗｅｉｂｕｌｌ模量ｍ之间的关系，揭示了ｍ的几何实质，并且同时考虑裂纹的尺度分布和方位分布及裂纹扩展路径的不规则性对统计强度的影响，从理论上推导了复杂应力状态下脆性材料统计强度σ的一般表达式。     

完整岩石拉压应力状态下的张裂破坏准则

一点的应力状态可由3个主应力$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示, 当规定主应力以压为正时, 沿最大主应力$\sigma_{1}$方向将产生收缩变形, 若中间主应力$\sigma_{2}$和最小主应力$\sigma_{3}$都远小于$\sigma_{1}$, 则沿$\sigma_{2}$和$\sigma_{3}$方向会产生横向扩张变形, 当横向扩张变形达到一定极限时, 将会在平行于$\sigma _{1}$的方向产生张裂破坏. 如何建立这种张裂破坏的强度准则目前尚缺乏研究, 最大拉应变理论(第二强度理论)有时被用来解释张裂破坏, 但最大拉应变理论难以应用于三向受力状态. 本文分别用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示最大张应变和次大张应变, 则最大拉应变理论认为当$\varepsilon_{1}$达到单向拉伸屈服应变时, 材料将产生破坏. 而本文将根据$\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}$之和达到极限值$\varepsilon_u$来建立张裂破坏准则. 可以证明$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2}$所表示的是$\sigma_{1}$主平面的面积增长率. 当$\sigma_{3}<\sigma_{2} \ll \sigma_{1}$时, 大部分岩石都具有脆性破坏的特点, 所以可将破坏前的岩石视为满足广义胡克定律的线弹性材料, 这样用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示的强度准则可通过$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示. 在这个过程中还可考虑岩石在拉伸和压缩时具有不同弹性参数和强度的特点, 并可通过单向拉伸和单向压缩的破坏状态来确定$\varepsilon_u$. 不管$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$是压应力, 还是拉应力, 或者$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$中有拉有压的情形, 基于$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2} =\varepsilon_u$都可建立相应的强度准则. 所建立的准则可以反映中间应力$\sigma_{2}$对强度的影响规律, 通过建立的强度准则还可以证明: 静水拉力能引起屈服, 而静水压力不能产生屈服; 压缩破坏能使塑性体积增大, 其结果比Mohr-Coulomb准则更能反映实际情形. 并通过拉压应力状态下的试验数据验证了所建立的强度准则, 所得理论计算结果和已有的试验数据吻合得很好. 通过提出的强度准则和圆盘劈裂的试验结果, 可获得更为可靠的岩石单轴抗拉强度.      

16MnR钢缺口试样解理断裂行为研究

研究了低合金热轧钢16MnR缺口试样在$-196\,{^\circ}$C和$-130\,{^\circ}$C的解理断裂机 理. 拉伸试验、单、双缺口四点弯曲实验、断口形貌观察以及有限元分析结果表明, 缺口试 样发生解理断裂时均起裂于夹杂物粒子, 一种位于缺口根部前端(IC型), 另一种位于距缺口 根部较远的条形裂纹前端(SIC型); 且随温度升高, 起裂源的类型从$-196\,{^\circ}$C下的IC 型转变为$-130\,{^\circ}$C下的SIC型. 微裂纹均形核于夹杂物, 最终的断裂由铁素体晶粒尺 寸的微裂纹扩展控制. 缺口试样IC型解理断裂遵循裂纹形核条 件$\varepsilon_{\rm p} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和裂纹扩展条件$\sigma_{yy} \ge \sigma_{f}$, 而SIC型解理断裂条件则演化为$\varepsilon_{\rm p}+\varepsilon_{\rm ps} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和$\sigma_{yy} +\sigma_{yy{\rm s}} \ge \sigma_{f}$.     

高温后高强高性能混凝土双轴压力学性能

利用大型静动真三轴试验机,进行了常温20${^\circ}$C以及200${^\circ}$C$\sim $ 600${^\circ}$C\,6个温度等级高温后高强高性能混凝土在7种应力比双轴压应力状态下的强度与变形试验.测得了双轴主压方向的静态强度、峰值应变与应力应变曲线,剖析了温度和应力比对单、双轴压强度与峰值应变发展趋势的影响规律性以及试件破坏形态. 试验结果表明:随温度的升高,高强高性能混凝土的单轴压减摩强度并不一定降低;双轴压强度相对于单轴压强度的提高倍数取决于应力比、不同温度等级后的高强高性能混凝土``脆硬性'. 提出了带有温度和应力比参数的Kupfer-Gerstle破坏准则公式.      

混凝土一维应力层裂实验的全场DIC分析

基于74mm直径分离式Hopkinson杆(SHPB)实验平台进行了混凝土杆的一维应力层裂实验.采用超高速相机(采样频率:2 $\mu$s/frame)结合数字图像相关法(DIC),记录混凝土试件中的动态位移场实时变化情况,探讨了混凝土在拉伸断裂过程中的表面位移场及速度场演化规律.针对实验中出现的多重层裂现象,基于一维应力波传播理论,指出各个位置在发生层裂时,其最大拉应力均由透射压缩波与反射拉伸波叠加而成,各处层裂发生时均处于一维应力状态.并提出了根据层裂位置左右两点速度趋势变化判断层裂发生时刻的判据.该判据可以给出所有层裂的起裂时间,结合DIC分析直接给出了混凝土多重层裂应变.结果显示混凝土的拉伸强度具有明显的应变率效应,在30 s$^{-1}$的应变率下,其拉伸强度的动态增强因子(DIF)可以达到5.与传统的波叠加法和自由面速度回跳法相比,DIC全场分析法不受加载波形限制,可以精确给出每个层裂的位置和起裂时间,从而得到试件在高应变率加载下不同位置处的断裂应变、拉伸强度及相应应变率,提高了测量效率.      

On the most dangerous V-notch

The determination of the failure load for brittle or quasi-brittle specimens containing a re-entrant corner has been faced by several authors, whose approaches are available in the Scientific Literature. However, up to now, little attention has been paid to the presence of a minimum, i.e. an angle at which the critical load attains its minimum value. Even if the minimum was detected in several experiments, it was not highlighted or it was considered as a mere consequence of the scattering of experimental data. Restricting the analysis to a sharp V-notched infinite slab under a remote tensile load, the problem is fully investigated in this paper. It is shown that a minimum, more or less pronounced according to the brittleness number, is always present. It means that the edge crack is not the most dangerous configuration, although the notch opening angle providing the minimum failure load tends to vanish for large notch depths as well as for very brittle materials.     

Size Effect on The Bending And Tensile Strength of Micromachined Polysilicon Films for MEMS

I. INTRODUCTION Microelectromechanical systems (MEMS) have achieved impressive progress and become a very area of research. But long-term durability of various MEMS devices requires a fundamental understaof the fatigue and fracture characteristics of su…     

钨球对高硬度钢斜侵彻效应

为研究高硬度钢板抗不同着角钨球的侵彻性能及破坏模式,通过弹道枪进行了?8 mm、?11 mm钨合金球形破片以0°、20°、40°着角撞击厚度为6 mm、8 mm的高硬度钢板试验,得到了极限贯穿速度v₅₀;分析了钨球轴向径向变形及靶板失效模式与撞击速度的关系,发现高硬度钢板失效模式主要为压缩开坑破坏和沿厚度方向剪切破坏。采用有限元方法对试验进行了模拟,验证了数值模型及参数的合理性,并运用数值模拟方法研究了撞击着角对靶板吸能模式影响,结合试验数据,修正已有极限贯穿速度计算公式。结果表明:随侵彻着角增大,极限贯穿速度提高,且着角越大,极限贯穿速度增长越快;随着角增大,靶板吸能模式逐渐由压缩开坑向剪切冲塞过渡,且着角大于50°时,剪切冲塞耗能将超过压缩开坑耗能;修正后极限贯穿速度计算公式适用范围更广、精度更高,具有较好工程应用价值。     

ANALYSIS OF MECHANICAL PROPERTIES OF CEMENT CLINKER UNDER DIFFERENT TEMPERATURES BASED ON HERTZIAN INDENTATION METHOD1)

本文通过高温球压法得到各种脆性和准脆性材料的表面压痕应力与应变之间的关系曲线。通过压痕应力-应变曲线的分析既可比较方便地确定出材料的压痕弹性模量、剪切模量和布氏硬度,又可比较不同温度下水泥熟料的变形性能。在不同温度(25 ${^\circ}\!$C$\sim $1400 ${^\circ}\!$C)处理下,球压应力松弛试验载荷松弛,在载荷峰值为100 N时,随着温度的升高,水泥熟料载荷松弛更明显。随着温度从500 ${^\circ}\!$C升高到1400 ${^\circ}\!$C,载荷松弛非常明显,尤其温度高于1200 ${^\circ}\!$C,水泥熟料样品内部的硅酸三钙(Ca$_3$SiO$_5$, 简称C3S)分解以及有部分液相的出现引起的应力松弛现象最为明显,在1275 ${^\circ}\!$C时熟料基本上已经软化,载荷急速松弛,所以认为1275 ${^\circ}\!$C为熟料的脆延转化温度。通过水泥熟料高温球压松弛试验可以确定水泥熟料在二次加热过程中的脆-延转化温度,测定熟料弹性模量和抗压强度急剧变化的温度范围。研究水泥熟料在不同温度下的力学行为和力学特性,探索提高粉磨效率的新途径,实现高温下的低能耗粉碎。     

基于一类非局部宏-微观损伤模型的裂纹模拟

结合近场动力学和统一相场理论的基本思想, 最近提出了一类非局部宏-微观损伤模型, 为固体裂纹扩展模拟提供了新途径. 本文在此基础上改进了微观损伤准则, 并给出损伤的$\bar{\lambda}-\ell$语言以刻画固体破坏过程中位移场的不连续程度. 在改进模型中, 首先根据两物质点(即物质点对)之间的变形量, 基于相对临界伸长量的历史最大超越程度, 给出表征物质键性能退化的微细观损伤. 进而, 对影响域内的物质键损伤进行空间局部加权平均, 获得宏观拓扑损伤. 通过引入能量退化函数, 建立基于能量的损伤与宏观拓扑损伤之间的关系, 由此将其嵌入连续损伤力学基本框架, 形成了问题求解的基本方程. 该模型是一类非局部化模型, 可采用有限单元法进行离散求解, 避免了经典局部损伤力学所面临的网格敏感性问题. 文中, 进一步将其应用于具有强非线性回弹特性的裂纹扩展模拟问题. 实例分析表明, 本文方法不仅可以把握裂纹扩展模式, 而且能够定量刻画裂纹扩展过程中的载荷-变形关系. 最后指出了需要进一步研究的问题.      

The mixed mode brittle fracture criteria in siliding mode fracture

It is well-known that the present mixed mode brittle fracture criteria are all theopening mode fracture criterion.We consider that mixed mode brittle fracture of slidingmode fracture exists too.Hence we propose three criteria of mixed mode brittle fracture ofsliding mode fracture;:the radial shearing stress criterion,the maximum shearing stresscriterion and the distortional strain-energy-density criterion.Thus,we can overall explainthe phenomena of brittle fracture in the structural elements with cracks.