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     

含圆孔缺陷三点弯曲梁动态焦散实验

应用新型数字激光动态焦散线实验系统,采用含预制裂纹的有机玻璃板试件进行落锤冲击实验,研究了含圆孔缺陷三点弯曲梁的动态断裂行为。通过实验得到了含圆孔缺陷三点弯曲梁裂纹尖端动态应力强度因子的变化情况、裂纹扩展速度的变化情况以及裂纹贯穿空孔的扩展情况等。实验结果表明:三点弯曲梁中的空孔位置对裂纹的扩展轨迹具有明显的导向作用;空孔位置的改变会影响三点弯曲梁的断裂时间;空孔位置的变化对空孔下方裂纹的扩展时间、扩展轨迹影响较小;在空孔位置居中的情况下,空孔上方裂纹的最大扩展速度大于空孔位置偏移时的情况。     

陶瓷材料动态压缩损伤本构模型

运用细观损伤力学理论,从动态压缩载荷下陶瓷材料内翼型裂纹的产生和扩展的损伤机理出发,建立了陶瓷材料的弹脆性动态损伤本构模型,给出相应的损伤演化方程.假设裂纹成核满足Weibull分布,讨论了成核分布参数、原始缺陷尺寸对材料动态断裂应力、断裂应变的影响,并用动态损伤演化模型计算了冲击载荷下AD90陶瓷的动态应力应变曲线,计算结果和实验结果符合很好.     

冲击载荷下两裂纹间的连通规律

脆性材料内部含有大量裂纹，当某一裂纹扩展时，其他裂纹会对扩展裂纹产生影响。为了研究冲击载荷下，脆性材料内两裂纹的相互影响、连通规律及裂纹尖端应力强度因子的变化规律，利用有机玻璃板制作了含非平行双裂纹的实验试件，利用落板冲击设备进行了中低速冲击实验，结合有限元分析软件ABAQUS计算出裂纹尖端应力强度因子，利用有限差分软件AUTODYN进行了动态数值模拟研究，并将其模拟结果与实验结果进行对比分析。实验及模拟结果表明:裂纹破坏形态与AUTODYN数值模拟破坏形态基本一致；试件的断裂形态随着两裂纹间距不同而不同；裂纹间的相互影响程度随着裂纹间间距增大而减小；裂纹尖端应力强度因子K_I随着裂纹间距的增大而减小，而K_II随着裂纹间距增大而增大。     

冲击载荷下镁铝合金裂纹动态扩展过程的数值模拟

采用基于黏聚裂纹模型的扩展有限元方法,开展了镁铝合金结构冲击破坏过程的数值模拟研究。通过镁铝合金三点弯曲试样冲击实验,获得了不同子弹撞击速度下试样的冲击破坏模式。在此基础上,建立了实验结构的扩展有限元模型,并采用最大主应力准则,以及含损伤型的本构关系模拟材料的冲击断裂行为。对于裂纹尖端附近区域,采用黏聚裂纹模型模拟裂纹的断裂过程。对子弹速度分别为12.2、15.1、26.3 m/s的3种工况下镁铝合金试样的动态破坏过程进行了数值模拟研究,获得了与实验相一致的断裂模式。计算结果表明,试样以Ⅰ型断裂模式为主,裂纹沿初始预制裂纹方向扩展。当裂纹扩展到一定程度后,在试样韧带区域被撞击端附近,由于应力波及边界效应导致该区域处于复杂应力状态,试样出现复合型断裂模式,裂纹偏离原扩展路径,与本文实验结果相吻合。     

塑性动态断裂实验研究

本文利用自制的实验装置,对韧性材料在爆炸冲击载荷作用下的塑性动态断裂特性,进行了实验研究,其中包括高塑性应变速率下,塑性区裂纹扩展过程和扩展速度的测试;塑性动态断裂韧性CTOD,及其在不同裂纹扩展速度下变化规律的测试。同时,对不同裂纹扩展速度的试件断口进行微观分析。     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等ε_θ线体积应变能断裂准则

利用裂纹尖端附近能量的变化去建立Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂准则是有效的方法之一。本文利用Ⅰ-Ⅱ型裂纹尖端周向应变ε_θ所围成的区域内体积应变能的变化,建立了基于等ε_θ线内体积应变能Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂准则;讨论了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂中的两种应力状态下的临界荷载比值;并将准则的预测值与最大正应力理论和应变能密度因子准则预测值以及已有部分材料的实验结果进行了对比分析。结果表明,本文的理论预测值与铬锰钢、混凝土材料以及PMMA材料的实验值相比基本吻合。说明该准则对于工程材料的复合型断裂问题分析具有一定的理论意义和参考价值。     

预置圆孔膨胀环动态断裂行为研究

利用中心线起爆膨胀环加载技术,采用分幅摄影技术观测了20号钢圆环在准一维拉伸作用下,预置圆孔缺陷临近区域的动态断裂特征。获得了高应变率下圆孔的变形、裂纹的萌生及扩展过程。并采用LS-DYNA3D有限元程序分步建模,将驱动器对膨胀环的冲击压力简化为直接作用于圆环内壁的压力历史,以此模拟了整个断裂过程。通过实验图像,得到裂纹尖端的位移以及速度随时间变化的曲线。结果表明,宏观可见裂纹出现于应力集中最大处,裂纹扩展速度随时间振荡,数值模拟与实验结果吻合较好。     

蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹的力学模型,在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1/(n-1)。通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变的数值结果,数值计算表明,裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制。通过对裂纹尖端场的渐近分析,从应变角度出发,提出了蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹的断裂判据。     

数字图像相关测试技术在霍普金森杆加载实验中的应用

本文利用三维数字图像相关(3D-DIC)测试技术,在Hopkinson bar加载条件下测试铝合金动态拉伸力学性能以及TC4合金Ⅱ型裂纹的起裂时间和冲击载荷下的失稳扩展速度。两台高速相机保证了被测物体的三维成像,校准板技术使得所测试的应变-时间历程定量化。利用数据处理软件能够得到关注区内每一点的位移-时间历程、应变-时间历程及主应变等。同时,针对TC4材料的动态断裂过程,三维数字图像相关技术能够实时地记录预制疲劳裂纹的张开、裂纹尖端起裂、裂纹分叉扩展、失稳传播等各个阶段,为动态断裂韧性的确定提供了有力工具。     

Failure instability of a debonded interface in the presence of a main crack

The problem of fracture initiating from an edge crack in a nonhomogeneous beam made of two dissimilar linear elastic materials that are partially bonded along a common interface is studied by the strain energy density theory. The beam is subjected to three-point bending and the unbonded part of the interface is symmetrically located with regard to the applied loading. The applied load acts on the stiffer material, while the edge crack lies in the softer material. Fracture initiation from the tip of the edge crack and global instability of the composite beam are studied by considering both the local and global stationary values of the strain energy density function, dW/dV. A length parameter l defined by the relative distance between the maximum of the local and global minima of dW/dV is determined for evaluating the stability of failure initiation by fracture. Predictions on critical loads for fracture initiation from the tip of the edge crack, crack trajectories and fracture instability are made. In the analysis the load, the length of the edge crack and the length and position of the interfacial crack remained unchanged. The influence of the ratio of the moduli of elasticity of the two materials, the position of the edge crack and the width of the stiffer material on the local and global instability of the beam was examined. A general trend is that the critical load for crack initiation and fracture instability is enhanced as the width and the modulus of elasticity of the stiffer material increase. Thus, the stiffer material acts as a barrier in load transfer.     

Crack growth in concrete slab resting on steel beam: softening and damage accumulation

Analyzed in this work is the four-point bending of a concrete slab supported by a steel beam. An edge crack is assumed to prevail on the tension side of the concrete that would grow gradually while the overall stiffness and local fracture toughness of the concrete would also degrade as damage accumulates. The latter two quantities are assumed to decrease with increasing deflection of the composite system. These effects are incorporated into the strain energy density criterion that can simultaneously predict crack initiation and growth including the event of final termination. Numerical results on load and deflection are obtained for two different composite concrete/steel beam systems such that the prevailing geometric material and loading parameters are accounted for as a combination. The distances between the local and global stationary values of the volume energy density are also determined as an indication of fracture instability. An edge crack tends to extend more stably as the compressive zone ahead increases with deflection of the composite beam.     

考虑界面滑移效应的组合裂纹梁弯曲解析解

将上部子梁的裂纹等效为线性扭转弹簧,考虑组合梁连接面的滑移位移,建立了以组合裂纹梁挠度和滑移位移为基本未知量的组合裂纹梁弯曲变形一维数学模型．利用Laplace变换及其逆变换,给出了组合裂纹梁弯曲变形一维数学模型的解析通解．在此基础上,研究了均布载荷作用下简支组合裂纹梁的弯曲变形问题,数值分析了连接面剪切刚度、裂纹深度、数目和位置等参数对组合裂纹梁弯曲变形的影响,结果表明：在裂纹处,组合裂纹梁挠度曲线存在尖点,而横截面转角曲线存在跳跃,且随着裂纹数目和深度的增加,挠度和横截面转角跳跃值增大;随着连接面剪切刚度的增加,挠度和横截面转角减小,并最终趋于定值．并且,随着组合梁跨高比的增加,连接面剪切刚度对梁挠度影响逐渐减弱．     

Delamination fracture analysis in the GII–GIII plane using prestressed transparent composite beams

In this paper, the mixed-mode II/III version of the prestressed end-notched flexure fracture specimen is developed, which combines the well-known end-notched flexure and the modified split-cantilever beam specimens using a special rig. The new beam-like specimen is able to provide any combination of the mode-II and mode-III strain energy release rates. The mode-III part of the strain energy release rate is fixed by using the special rig, which loads the specimen in the plane of the delamination. The mode-II part of the strain energy release rate is provided by the external load using a three-point bending fixture. A simple closed-form solution using beam theory is developed for the strain energy release rates of the new configuration. The applicability and the limitations of the novel fracture mechanical test are demonstrated using unidirectional E-glass/polyester composite specimens. If only crack propagation onset is involved then the mixed-mode II/III prestressed end-notched flexure specimen can be used to obtain the fracture criterion of transparent composite materials in a relatively simple way.     

考虑轴力二阶效应悬臂梁的支承及裂纹参数识别

建立了轴向压力作用下悬臂裂纹梁边界支承和裂纹损伤程度识别方法．首先，将悬臂梁边界非完整支承等效为竖向和扭转弹簧、梁中开裂纹等效为内部扭转弹簧，利用Laplace变换，得到了边界弹性支承、考虑轴向压力二阶效应、具有任意裂纹数目Euler-Bernoulli悬臂梁弯曲挠度的解析解．其次，提出了边界弹性支承弹簧柔度和裂纹等效扭转弹簧柔度的识别方法．最后，通过数值试验，考察了轴向压力，裂纹深度以及测量误差等对识别结果的影响，说明了本文考虑轴向压力二阶效应的悬臂梁边界支承弹簧柔度及裂纹等效扭转弹簧柔度识别方法的适用性和可靠性，结果表明：相比于应变测量误差，挠度测量误差对裂纹损伤程度识别结果影响更加敏感，且轴向压力对裂纹损伤程度识别影响较小，因此，应严格控制挠度的测量误差．同时，边界支承扭转弹簧柔度的识别误差大于其竖向弹簧柔度识别误差．这些结果为实际工程中边界非完整支承悬臂裂纹梁的参数识别提供了指导．     

The crack tip fields of orthotropic composite plate under bending

1MechhacalModelThefractUreproblemwhichisthesameasthatinpaper[I]isfurtherdiscussedinthispaper.TheanalysisoffractUrebehavioursnearcracktipforinfinitelinearelasticorthotropiccompositeplatewithacentralthroughcrackoflengthZaiscarriedout.ThegeometryandloadingcondihonsareshowninFig.1.Tosolvesuchaproblem,weneedtosolvethepanaldifferentialequationwiththefollowingboundaryconditions:wherewisdeflectionofcoddleplane;M.andM,arebendingmoment,Ma.istwistingmoment,andstiffnessmatrixFromthetheoryofplateL'],w…     

小波变换理论在损伤探测中的应用

本文采用小波变换技术，对含边裂纹的悬臂梁受冲击载荷作用的情况进行分析。根据电测法得到的动态应变的实验结果，用Morlet小波变换处理，能够很好地确定边缘缺陷的特性。这为结构损伤检测提供了一个很有效的方法，具有广阔的工程应用前景。     

复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[0₃/45/-45]_S 和[45/0/-45/90]_4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.      

三维冲击荷载弹塑性弯曲裂纹张开位移

主要研究冲击载荷作用下的三维弹塑性弯曲裂纹尖端的张开位移问题．综合考虑了冲击作用应力,三维塑性区域边界上正应力与剪应力,利用二阶摄动方法计算了三维弹塑性弯曲裂纹尖端的张开位移．用数值解法计算出三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移,作图分析了三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移与三维裂纹体几何尺寸之间的变化关系．三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移随着三维裂纹体厚度的增大而减小,随着三维裂纹体厚度的均匀增大,三维弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移尺寸不断减小,减小的幅度越来越小,最终趋于平面应变状态下的弹塑性弯曲裂纹尖端张开位移尺寸．当三维裂纹体几何尺寸相同时,三维弯曲裂纹尖端动态张开位移随外部冲击载荷的不断增大而逐渐增大,三维弯曲裂纹尖端动态张开位移随动荷系数的增大而迅速增大,建立了一个计算三维弹塑性弯曲裂纹尖端动态张开位移的崭新理论模型．     

Peridynamic modelling of impact damage in three-point bending beam with offset notch

The nonlocal peridynamic theory has been proven to be a promising method for the material failure and damage analyses in solid mechanics.Based upon the integrodifferential equations,peridynamics enables predicting the complex fracture phenomena such as spontaneous crack nucleation and crack branching,curving,and arrest.In this paper,the bond-based peridynamic approach is used to study the impact damage in a beam with an offset notch,which is widely used to investigate the mixed I-II crack propagation in brittle materials.The predictions from the peridynamic analysis agree well with available experimental observations.The numerical results show that the dynamic fracture behaviors of the beam under the impact load,such as crack initiation,curving,and branching,rely on the location of the offset notch and the impact speed of the drop hammer.