裂尖大应变细观断裂研究

本文用反映空穴形核成长的Gurson本构方程来描述裂尖区域材料在大应变情形下的力学特性，并进一步考虑了空穴演变对材料杨氏模量的影响。文中用上述本构方程分别结合弹塑性大应变有限元方法对平面应变I型裂纹问题作了计算，分析了裂尖应力分布、裂尖形状变化和裂尖空穴演变过程，并与用Prandtl-Reuss本构方程教育处的结果作了比较。     

光滑圆柱拉伸试件的颈缩分析

对Gurson本构方程作了初步的研究，并对圆柱光滑拉伸试件在颈缩阶段用Gurson本构方程做了大应变弹塑性有限元分析。讨论了颈缩区空穴形核、扩张、静水应力以及材料软化的问题，初步揭示了空穴的演化过程和材料的破坏机理。有限元分析的结果表明，颈缩阶段空穴长大聚合机理非常显著，而形核作用相对较弱。     

砂岩方梁断裂过程区范围的实验确定方法

裂纹前端的断裂过程区是引起岩石非线性断裂及尺寸效应的主要原因。利用数字图像相关技术对砂岩开展了三点弯曲梁实验,获得观测区域高精度的全场位移和应变数据,根据断裂韧带区域水平位移和水平应变的分布特征,结合裂尖岩石颗粒变化的微观分析,提出采用裂纹尖端水平位移波动性和水平应变突变性所得到的波动系数和水平应变突变值,确定断裂过程区形状和临界尺寸的方法。结果表明:砂岩断裂过程区的形状为不规则的狭长带状区域,断裂过程区的临界长度为11~13mm,临界宽度为1.58~2.36mm。断裂过程区区域内形变在趋向裂尖时呈指数增加,但其单位区域内的形变增量呈波动状态。该方法能够更加准确判断岩石断裂过程区的范围,有助于分析岩石的非线性断裂特性。     

复合型韧性断裂实验和控制参数

通过对不同韧性材料在各种平面复合载荷形式下裂纹启裂阶段裂端变形、启裂位置和扩展方向的系统的宏微观实验验证及计算分析,考察了韧性断裂参数空穴扩张比的分布特征和裂纹启裂及扩展方向的关系．得到：对于不同韧性的材料,在裂端的钝化变形区域,空穴扩张比的极大值区对应干裂纹的启裂位置,裂纹启裂时钝化裂端前缘空穴扩张比的临界值不敏感于复合比的变化．而对于裂纹启裂后的扩展方向,则需根据具体材料在相应的特定区域中比较空穴扩张比参数极大值的分布特征,需经进一步的分析,从而确定裂纹的扩展方向．实验及计算结果表明,尽管复合型断裂时裂纹启裂及扩展的机理极其复杂,用于韧性材料复合型断裂的空穴扩张比参数仍能很好地预测裂端的启裂及扩展方向,可作为复合型韧性断裂过程的控制参数．     

力场-化学场耦合作用对含裂纹固体电解质力学行为的研究

为了研究力场-化学场耦合作用下的含裂纹电解质的断裂问题,本文构造了耦合情况下力场和浓度场的本构关系,并由这些本构关系建立了力场-化学场耦合问题的有限元方程。通过具体的算例,进一步探讨了裂纹尖端应力场和氧空位浓度分布的耦合作用对GDC(氧化钆掺杂的氧化铈)力学行为的影响,发现在耦合作用下,裂尖应力场对氧空位的分布有明显的诱导作用。     

三角形波致LY12铝层裂的平板冲击实验研究

采用基于冲击波衰减动力学的实验技术,使平板碰撞层裂实验的LY12铝样品中,产生三角形冲击脉冲.采用VISAR技术记录样品自由表面历史,获得样品中发生层裂的信号.在经过高应力三角形波实验的软回收样品上,发现了两个层裂面.就样品中呈现三角形脉冲的平板冲击实验而言,样品中可以存在一些高拉伸应力区域并发生多次层裂.将该文提出的基于空穴聚集的层裂模型用于数值模拟这些特定条件的平板冲击试验,并将计算的样品自由面速度历史及样品中的损伤分布与实测的VISAR数据及软回收的样品层裂面等作了比较.研究表明,人为粘性、状态方程、本构方程以及层裂模型对于数值模拟三角形冲击脉冲引起的层裂有严重影响.     

韧性断裂裂纹尖端的物理特征和力学行为

本文综述了金属材料发生韧性断裂的裂尖钝化,孔洞成核和长大,孔洞-孔洞或孔洞-裂尖汇合导致裂纹扩展的物理特征,和描述这些特征的本构理论及物理模型。     

三维约束下幂硬化双材料界面裂尖场分析

本文用Ｊ２形变理论分析了三轴应力约束下，由具有不同硬化指数和硬化系数的幂硬化材料构成的界面裂纹问题．通过在本构方程中引入三轴应力约束因子Ｔｚ，我们考虑了三维约束效应对裂尖场的影响．计算结果表明，三轴应力约束对裂尖场的分布，尤其是对径向应力σｒ和有效应力σｅ有重要影响．本文还探讨了三轴约束和材料性能对裂尖应力奇异性的影响     

缝合式C/SiC复合材料非线性本构关系及断裂行为研究

C/SiC复合材料具有高比强度、高比模量和优良的热稳定性能等一系列优点, 广泛应用于航空航天领域中. 裂纹扩展进而引起的脆性断裂是其主要失效形式之一, 因而材料的断裂性能分析对材料的结构设计和应用有重要的指导意义. 本文开展了缝合式C/SiC复合材料简单力学试验和断裂试验, 研究了材料在不同载荷下的力学响应及断裂特征. 基于缝合式C/SiC复合材料简单力学试验, 建立了材料宏观非线性损伤本构方程, 并模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 本构方程采用简单函数描述了材料在复杂应力状态下的非线性应力-应变曲线, 并考虑了反向加载过程中造成的裂纹闭合. 基于商业有限元软件ABAQUS, 通过编写UMAT子程序实现非线性损伤本构方程, 采用单个单元验证了建立的本构方程的有效性. 在此基础上, 采用线弹性损伤本构和非线性损伤本构分别模拟了缝合式C/SiC复合材料单边切口梁和双悬臂梁的断裂行为. 采用非线性损伤本构方程模拟的力-位移曲线结果与试验结果更为吻合, 非线性损伤本构预测的失效载荷与试验失效载荷更为接近, 验证了所建立的非线性损伤本构方程的准确性, 为C/SiC复合材料断裂行为的研究提供了借鉴, 为缝合式C/SiC复合材料结构的设计和应用提供了理论基础.      

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。     

Analyses on micro-fracture of crack tip under large deformation conditions

In the present paper, Gurson's constitutive equation, which takes into account the development of voids, is used to study the behaviour of the material in the region near crack tip. Furthermore, the effect of void development on Young's modulus, which was not considered by Gurson, is taken into consideration. The analyses on void development, on stress distribution near crack tip, and on the variance of COD for the plane strain mode I problem are carried out with the large elastic-plastic deformation finite element method. The results are compared with those estimated from the Prandtl-Reuss constitutive equation.     

伴随微孔洞生长的裂纹弹塑性定常扩展

裂纹在韧性材料中扩展时,将们随着微孔洞的萌生和生长,孔洞的萌生和深化将直接影响着材料的总体断裂韧性和强度,以往的研究主要集中在将裂纹的扩展刻划为微孔洞的萌生、生长和汇合这样一个过程。从传统的断裂过程区模型出发研究微孔洞的萌生和生长对材料总体断裂韧性的影响,通过采用Ｇｕｒｓｏｎ模型,建立塑性增量本构关系,然后针对定常扩展情况直接进行分析,孔洞对材料断裂韧性的影响由本构关系刻划,而在孔洞汇合模型中,上     

Analysis of shear localization in porous materials

A set of constitutive equations are derived based on the authors' lower bound yield loci for porous materials. By using these equations, the conditions for shear localization in porous materials are then investigated and the results are compared with those of Gurson's equations and the finite element analysis. The advantages of the present constitutive equations are fully illustrated.     

基于近场动力学理论的准脆性材料的本构力函数的构建

近场动力学理论(PD)是基于非局部思想的连续介质力学新理论,用于研究材料破坏问题。根据准脆性材料破坏的线性和非线性的力学行为,在初始微观弹脆性材料(PMB)的本构力函数中引入了键的损伤模型,将键的断裂过程分成了线性的弹性变形阶段和非线性的损伤变形阶段,以此构建了准脆性材料的本构力函数的基本形式。以典型的准脆性材料为例构建了其本构力函数,通过在压缩载荷下对含预制不同角度单裂纹缺陷的类岩材料的裂纹扩展进行PD数值模拟仿真,裂纹起裂位置和扩展方向与试样试验结果在一定程度上保持了一致,证明了该基于近场动力学理论的典型准脆性材料的本构力函数可用于该类材料的破坏分析。     

基于石膏材料的小结构重力坝损伤本构模型研究

大坝模型试验的模型材料力学性能是试验成功与否的关键影响因素。基于石膏模型材料基本力学性质和混凝土材料基本相似的实际情况,考虑石膏模型材料的孔隙率,在能量损伤理论模型的基础上,结合工程规范,建立了石膏模型材料的受拉损伤本构模型。同时,分析了模型材料应变率对材料峰值应力的影响,引入动应力提高系数,并给出了与应变率相关的模型材料受拉损伤本构模型。利用该本构模型模拟了动荷载下石膏模型重力坝的破坏过程,并与模型试验结果进行对比。结果表明：数值模拟得到的重力坝开裂破坏的位置、形式与模型试验结果较为接近。     

Mechanically alloyed nanocrystalline iron and copper mixture: behavior and constitutive modeling over a wide range of strain rates

A comprehensive study on the response of a nanocrystalline iron and copper mixture (80% Fe and 20% Cu) to quasi-static and dynamic loading is performed. The constitutive model developed earlier by Khan, Huang & Liang (KHL) is extended to include the responses of nanocrystalline metallic materials. The strain rate and grain size dependent behaviors of porous nanocrystalline iron-copper mixture were determined experimentally for both static and dynamic loading. A viscoplastic model is formulated by associating the modified KHL model (representing the fully dense matrix behavior), and Gurson's plastic potential which provides the yield criteria for porous material. Simulations of uniaxial compressive deformations of iron-copper mixture with different initial porosity, grain size and at a wide range of strain rate (10⁻⁴ to 10³ s⁻¹) are made. The numerical results correlate well with the experimental observations.     

SHEAR BEAM MODEL FOR INTERFACE FAILURE UNDER ANTIPLANE SHEAR (Ⅰ)—FUNDAMENTAL BEHAVIOR

The propagation of interlayer cracks and the resulting failure of the interface is a typical mode occurring in rock engineering and masonry structure. On the basis of the theory of elasto~plasticity and fracture mechanics, the shear beam model for the solution of interface failure was presented. The concept of `cohesive crack’ was adopted to describe the constitutive behavior of the cohesive interfacial layer. Related fundamental equations such as equilibrium equation, constitutive equations were presented. The behavior of a double shear beam bonded through cohesive layer was analytically calculated. The stable propagation of interface crack and process zone was investigated.     

混凝土复合型裂纹扩展的非局部近场动力学建模分析

基于非局部近场动力学理论,构建了修正的能反映混凝土宏观拉压异性和断裂特征的近场动力学本构模型,开发了相应的离散、加载和时间积分算法,实现典型混凝土构件中复合型裂纹扩展过程模拟。在物质点对尺度上定义局部损伤并考虑物质点对的相对转动,通过求解时空微-积分方程实现裂纹的自然萌生与扩展,避免裂尖不连续带来的求解奇异性、网格依赖性和网格重构以及常规近场动力学本构模型的泊松比限制。通过含单边和双边初始裂纹四点剪切混凝土梁裂纹扩展破坏全过程模拟,得到破坏形态、破坏荷载以及完整的荷载-裂纹开口滑移曲线,并与试验和其他数值模拟结果对比,验证了模型的精确性和算法的稳定性。