短纤维填充橡胶复合材料抗撕裂性能数值研究

基于断裂力学理论，应用有限元法分析带有初始边缘直裂纹的二维橡胶板在单轴拉伸下的撕裂特性。采用随机顺序吸附(random sequential adsorption, RSA)算法在ABAQUS软件中生成短纤维随机分布的模型，研究网格尺寸和积分路径对J积分的影响；计算复合材料在不同拉伸载荷下的J积分值；分析了J积分(扩展方向平行于初始裂纹方向)随短纤维含量、短纤维长度、短纤维直径和短纤维取向角的变化关系。研究结果表明：网格尺寸和积分路径对J积分有一定的影响；J积分随拉伸载荷的增大而增大；在同一初始边缘直裂纹(a₀=6.25 mm)下，短纤维填充橡胶复合材料抗撕裂性能随短纤维含量、长度和直径的增大而提高，随短纤维取向角的增大而降低；短纤维在小角度范围内随机取向的抗撕裂性优于大角度范围内随机取向。     

疲劳裂纹扩展的逻辑框架

人们已经发现应力强度因子变程△K与疲劳裂纹扩展率da/dN之间具有良好的对应关系,并由此建立了反映这些关系的各种理论。根据实验结果建立的疲劳裂纹扩展理论往往是假设性的(conjectory);但同时也可以用严谨的逻辑推理来导出疲劳裂纹扩展理论。演绎推导的理论和假设性的理论互为补充,促进了人们对疲劳裂纹扩展规律认识的不断深化。 本文对30年来疲劳裂纹扩展领域的工作进行了系统的总结,具体回顾考察了四种演绎推导理论:①无限大均匀宽板中的小裂纹扩展理论;②da/dN与△K相关的相似理论;③小范围屈服条件下均匀材料中的裂纹扩展理论;④链开式疲劳裂纹扩展理论,并将上述四种理论囊括在一个逻辑框架之中,用以分析疲劳裂纹扩展问题。本文也简述了如何应用这一逻辑框架来理解总结反映疲劳裂纹扩展行为的各种表达式,解释复杂的小裂纹扩展和复合材料中的裂纹扩展。     

复合材料层合板分层裂纹扩展的试验及数值模拟研究

由于复合材料层合板在制作加工过程中会产生初始的微裂纹,且复合材料具有各向异性的力学特征,因此在承载条件下,这些微裂纹可能在黏结面上及在层与层之间发生、扩展、发展成宏观层间裂纹,最终导致结构的破坏.本文对复合材料层合板试验件进行了拉伸试验,提出了一种复合材料层合板分层建模方法,利用这种方法对一组试验件进行了单向拉伸荷载作用下极限承载力的研究,得出其分层扩展的位置及层间应力分布规律,将试验结果与数值模拟结果进行了对比,论证了分层建模方法对分析复合材料层合板分层裂纹扩展问题的可行性与适用性.     

界面裂纹非对称扩展模型

提出了一种新的复合材料结构中层间脱层裂纹扩展模型，该模型能够揭示裂纹扩展对裂纹左右尖端能量释放率的相对大小及界面材料性能的依赖性，能够比较真实地揭示复合材料结构层间脱层裂纹扩展复杂性的特点．     

CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模. 首先 采用紧凑拉剪试件(CTS)和 Richard研制的复合型载荷加载装置，对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究. 实验选择了两种金属材料试件，分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用，在裂纹尖端具 有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响. 实验结果表明，疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关. 对于同样金属材料的试件，当裂尖处 初始应力场强度相等时，载荷越接近于II型，裂纹增长速率越快. 采用等效应力强度 因子(I型和II型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数，以实验数据为 基础，建立了一个疲劳裂纹扩展模型，用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率. 为验证其有效性，该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中. 实验结果与模拟计算曲线保 持一致，表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命.     

结构增韧材料在裂纹扩展中的韧度增值

本文分析了由裂纹扩展过程中形成的耗能尾区和桥联段所产生的增韧效应。根据对扩展裂纹的能量积分的贡献,结构增韧材料在裂纹扩展中的韧度增值机制可分解为:尾区体膨胀塑性增韧;尾区剪切屈服带增韧;裂纹面夹杂第二相桥联;未贯穿裂纹的基体桥联。本文结合结构高分子材料和短纤维复合材料等材料体系进行了具体的增韧分析计算。     

谱载荷下疲劳裂纹扩展随机规律的实验研究

简要介绍了谱载荷下疲劳裂纹扩展试验的理论基础、方法和过程。讨论了各种数据处理方法对参数估计的影响,研究了疲劳裂纹扩展的随机规律。由试验得到的疲劳裂纹扩展试验数据估计了裂纹扩展方程的参数,计算出结构可靠度曲线,通过对试验结果的分析难证了以下结论：以时间为参量的裂纹扩展随机过程模型和以裂纹长度为参量的模型在一定条件下是统一的;数据处理方法的选择与可靠性分析的结果有密切的联系;裂纹扩展寿命受裂纹扩展队机     

陶瓷基复合材料基体唇形裂纹失效规律研究

建立横向拉伸载荷下的唇形裂纹数学模型,采用复变函数的方法,通过保角映射,推导了唇形裂纹尖端应力场和位移场的解析解,建立了唇形裂纹的应力强度因子准则和最大能量释放率准则,结合算例分析陶瓷基复合材料基体唇形裂纹的几何参数、外载荷和纤维分布对失效准则的影响规律.结果 表明,(1)裂纹尖端应力场和位移场的解析解与有限元计算结果进行对比,验证了方法的有效性;(2)相较于Griffith裂纹和椭圆裂纹,基于唇形裂纹的失效准则对裂纹尖端的敏感性更高,适用于预测脆性陶瓷基体裂纹的扩展;(3)对于不同几何参数的唇形裂纹,采用最大能量释放率准则的基体裂纹的扩展速率要大于应力强度因子准则.     

用增量的路径无关积分率(T*)研究蠕变裂纹的扩展

主要研究了增量路径无关积分参数(T*)在蠕变裂纹非稳定扩展阶段的推广应用,在确定积分参数(T*)与裂纹扩展速率有线性关系的同时,对三轴应力度、塑性应变和蠕变应变等裂尖参数在裂纹扩展过程中的变化作了比较和说明.     

巴西圆盘泥岩试件裂纹扩展及应变演化实验研究

为了研究准静态加载条件下岩石试件巴西劈裂裂纹扩展规律,采用MTS试验机进行准静态加载,同时用高速摄像机记录裂纹扩展过程。采用白光数字散斑处理软件对摄像机记录的照片进行处理,得到试件裂纹扩展过程中应变场的演化情况。通过实验和分析可以看出,由于端部效应及加载方式的原因,因此裂纹起裂点在底部加载部位;泥岩试件表面裂纹的平均扩展速度为252m/s;岩石的非均质性即内部微缺陷、微裂纹使得泥岩试样的开裂并不是沿着中心直径方向,而是偏离一定的角度,初始偏离角度约为17°。裂纹扩展过程可以划分为三个阶段:泥岩试件宏观变形阶段(宏观无裂纹)、宏观裂纹稳定扩展阶段、宏观裂纹动态张裂阶段。同时,在裂纹扩展过程中,表面第一主应变场、水平位移场等变化明显,在开裂部位第一主应变最大。通过对圆盘泥岩试件裂纹扩展实验研究,可为研究岩石破裂及其演化规律提供依据。     

In-plane fracture of laminated fiber reinforced composites with varying fracture resistance: Experimental observations and numerical crack propagation simulations

A series of experimental results on the in-plane fracture of a fiber reinforced laminated composite panel is analyzed using the variational multiscale cohesive method (VMCM). The VMCM results demonstrate the influence of specimen geometry and load distribution on the propagation of large scale bridging cracks in the fiber reinforced panel. Experimentally observed variation in fracture resistance is substantiated numerically by comparing the experimental and VMCM load–displacement responses of geometrically scaled single edge-notch three point bend (SETB) specimens. The results elucidate the size dependence of the traction-separation relationship for this class of materials even in moderately large specimens, contrary to the conventional understanding of it being a material property. The existence of a “free bridging zone” (different from the conventional “full bridging zone”) is recognized, and its influence on the evolving fracture resistance is discussed. The numerical simulations and ensuing bridging zone evolution analysis demonstrates the versatility of VMCM in objectively simulating progressive crack propagation, compared against conventional numerical schemes like traditional cohesive zone modeling, which require a priori knowledge of the crack path.     

带边缘斜裂纹橡胶板的裂纹扩展研究

应用断裂力学的方法分析了带有初始斜裂纹的二维橡胶板在简单拉伸下的裂纹扩展特性.应用ABAQUS有限元软件建立了二维橡胶板的有限元模型,计算出倾角为0°,15°,30°,45°和60°的边缘斜裂纹橡胶板拉伸试件沿不同方向的J积分,得出橡胶板的裂纹扩展方向.通过有限元分析得出橡胶板并非沿着初始裂纹方向扩展而是与初始裂纹方向呈一夹角,且随着裂纹倾角的增大裂纹扩展方向和初始裂纹方向的夹角逐渐减小.     

Dynamic crack tip fields and dynamic crack propagation characteristics of anisotropic material

Based on mechanics of anisotropic material, the dynamic crack propagation problem of I/II mixed mode crack in an infinite anisotropic body is investigated. Expressions of dynamic stress intensity factors for modes I and II crack are obtained. Components of dynamic stress and dynamic displacements around the crack tip are derived. The strain energy density theory is used to predict the dynamic crack extension angle. The critical strain energy density is determined by the strength parameters of anisotropic materials. The obtained dynamic crack tip fields are unified and applicable to the analysis of the crack tip fields of anisotropic material, orthotropic material and isotropic material under dynamic or static load. The obtained results show Crack propagation characteristics are represented by the mechanical properties of anisotropic material, i.e., crack propagation velocity M and fiber direction α. In particular, the fiber direction α and the crack propagation velocity M give greater influence on the variations of the stress fields and displacement fields. Fracture angle is found to depend not only on the crack propagation but also on the anisotropic character of the material.     

白桦材断裂韧度的各向异性性质

木材可视为正交各向异性材料，表征木材抵抗裂纹扩展能力的断裂韧度硒。是木材的基本力学性质之一，它具有明显的各向异性．对白桦材试样断裂韧度硒。测试结果表明，LT试样的断裂韧度明显高于TL，TR试样的断裂韧度，TL和TR试样的断裂韧度相接近．无论哪种试样类型，起裂均发生在裂纹尖端．TL，TR试样裂纹扩展方向与原裂纹初始方向一致，LT试样与前两不同，裂纹沿着几乎平行于纤维的方向扩展．并且含水率对各个方向木材断裂韧度的影响趋势是一致的．     

基于横观各向同性超弹性理论的短纤维增强橡胶本构模型的建立与应用Establishment and application of short fiber reinforced rubber constitutive model based on transversely isotropic hyperelastic theory

提出了一种能够表征短纤维增强橡胶的横观各向同性超弹性本构模型,并结合试验体系,对其在数值分析中的应用方法和效果进行了研究。基于连续介质力学理论,建立了横观各向同性材料的应变能函数,推导得到不同变形形式下的应力应变关系,给出材料参数辨识试验方法,并成功应用于某短纤维增强橡胶测试中,得到表征其超弹性特性的相关材料参数。利用有限元软件ANSYS对不同纤维排布方向的单轴拉伸和平行纤维方向的平面拉伸进行仿真计算,并对比相应试验数据,以验证材料参数的可靠性。最后基于已验证的本构模型,建立了某铣槽装备减振环仿真模型,并对其进行了校核计算。研究结果表明,本文提出的本构模型能够有效表征短纤维增强橡胶的静态力学特性并且方便嵌入现有的有限元软件中,具有材料参数少、测试简便和结果准确等特点,工程实用性强。     

光弹性贴片法研究钢纤维活性粉末混凝土断裂性能

采用预制裂缝的三点弯曲试件,应用光弹性贴片法研究了不同纤维掺量活性粉末混凝土RPC200的断裂性能.实验获取了光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程,由光弹性条纹分析了不同纤维掺量试件的初裂荷载及临界有效裂缝长度的变化规律.实验表明,利用光弹性贴片法可以有效的获取钢纤维混凝土裂缝扩展的全过程;随着钢纤维掺量的增加,试件的初裂荷载和峰值荷载得到相应提高,且峰值荷载呈近似线性的增加;当纤维掺量为1%时,临界有效裂缝长度值最大;纤维掺量继续增加,其分布均匀性下降,试件的韧性降低,临界有效裂缝长度减少.     

一种随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法

裂纹结构中存在大量不确定性因素,如裂纹长度、材料性质、外部载荷等,裂纹扩展路径的不确定性分析对研究随机裂纹结构损伤和断裂的力学特性并预测其性能及可靠性具有重要意义。本文提出了一种适应于混合载荷模式下随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法。该方法考虑了裂纹长度、材料性质和外部载荷等的随机性,并通过蒙特卡洛方法对随机参数空间进行采样。采用比例边界有限元方法计算结构应力强度因子,进而模拟单次裂纹扩展路径。在此基础上,通过概率分析方法获得随机裂纹结构中裂纹扩展路径的统计特性。最后给出了两个数值算例验证了本文方法的有效性。     

压应力对压剪裂纹扩展的影响研究

本文针对压剪裂纹的启裂及扩展问题,研究了脆性材料中裂纹面压应力变化对其扩展的影响规律.借助双轴加载试验机可自由调节两个轴位移和力的优势,设计了一种单边对称双裂纹压剪试样.试验中,施加裂纹面压应力至不同的预设值后,使剪应力单调增大直至裂纹启裂及扩展,得到不同预设压应力下压剪裂纹启裂及扩展规律. 随着预设压应力增大,启裂角增大,裂纹扩展路径与初始裂纹的偏角也增大.但随着压应力增大,启裂角增大至一定值后趋于稳定,实验发现,依据裂纹是否闭合,压应力对压剪裂纹扩展的作用大致可分为两个阶段:闭合前,压应力对裂纹启裂载荷及启裂角、扩展路径均有影响,预设压应力增大,裂纹启裂载荷增大、启裂角增大,扩展路径愈来愈偏离初始裂纹方向;闭合后,压应力虽然增大,启裂角和临界压剪应力比始终恒定,压应力对临界剪力和扩展路径存在一定影响.研究表明,裂纹启裂角与启裂时的压剪应力比存在一定的对应关系.启裂时的压剪应力比增大,启裂角增大,启裂时的压剪应力比恒定,启裂角不变.      

NUMERICAL SIMULATION OF CRACK GROWTH OF REINFORCED CONCRETE FLEXURAL MEMBERS BASED ON XFEM1)

基于最大主应力准则,利用扩展有限元法对钢筋混凝土三点弯曲梁的裂纹扩展进行数值模拟。通过与已有模型试验结果的比对,验证了该方法的准确性与有效性。研究发现,带裂纹钢筋混凝土构件的裂纹扩展与力学性能不但受到单裂纹的尺寸、位置、倾角的影响,而且还受多裂纹间位置关系的影响;其中,裂纹横向分布位置和裂纹纵向分布位置是影响带裂纹钢筋混凝土梁裂缝扩展的主要因素。     

裂纹尖端张开角准则的稳态裂纹扩展实验研究

ASTM和ISO已发布获得低约束条件下断裂性能和裂纹稳态扩展阻力曲线的标准,标准中采用多种试验方法确定临界裂纹张开角度来表征板材的裂纹稳态扩展。本文采用准静态裂纹扩展试验方法,通过摄像技术测定裂纹尖端张开角(CTOA),验证标准对1mm厚度2024-T3铝合金板稳态裂纹扩展行为的有效性。研究了试样构型、裂纹尺寸和是否疲劳预制裂纹对裂纹稳态扩展过程中CTOA的影响。试验结果表明:裂纹扩展2mm后,距离裂纹尖端1mm处的CTOA趋于一个恒定值6°,这个值与试样构型和裂纹长度无关;同时,不预制疲劳裂纹对CTOA值和试样的最大剩余强度影响较小。