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。     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。     

拱形试件动态断裂的动光弹分析

本文采用动光弹方法,分析了对带边裂纹的拱形三点弯曲试件在抢击加载条件下的瞬态反应。从多火花动光弹仪记录下来的16幅断裂过程的照片和微机输出的电火花光信号图上,得到了各时刻的等差线图形和裂纹长度。使用运动裂纹尖端附近的应力场解,去计算动应力强度因子。对环氧树脂材料,测定了动态应力强度因子与裂纹扩展速度之间的关系,并给出了当裂纹扩展速度达到410m/s时,为裂纹产生分叉的条件。     

动态裂纹扩展中的分形效应

假设裂纹顶端沿着分形轨迹运动，建立了裂纹扩展的分形弯折（ｋｉｎｋｉｎｇ）模型来描述裂纹的动态扩展。根据这个模型，我们推导了分形裂纹扩展对劝态应力强度和裂纹速度的影响．动态应力强度因子与表观应力强度因子之比Ｋ（ｌ（ｔ），Ｖ）／Ｋ（Ｌ（ｔ），Ｏ）是表观裂纹速度Ｖ＿Ｏ，材料微结构参数（ｄ／Δａ），分维Ｄ和裂纹扩展路径的弯折角θ的函数。本文研究结果表明：在分形裂纹扩展中，表观（或量测）的裂纹速度Ｖ＿Ｏ很难接近Ｒａｙｌｅｉｇｈ波速Ｃ＿ｒ．动态断裂实验中Ｖ＿Ｏ明显低于Ｃ＿ｒ的原因可能是分形裂纹扩展效应所致。材料的微结构，裂纹扩展路径的分维和弯折角均很强地影响动态应力强度因子和裂纹扩展速度。     

超声波动态断裂测试

本文介绍利用超声波定量测试裂纹失稳扩展的速度、加速度以及动态断裂响应参数等量的原理、方法，并给出了若干实验实例。     

冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验装置对修正侧开单裂纹半孔板（improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC）试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。     

动荷载下岩石裂纹动态扩展行为实验研究综述

岩石的动态裂纹扩展特性在岩石力学和岩石工程研究中具有重要意义。动荷载下岩石中裂纹的扩展行为是瞬间发生的,这对实验中测试和加载技术具有很大的挑战性。为综述动荷载下岩石材料裂纹扩展研究取得的丰硕成果,总结了岩石动态裂纹扩展测试技术、实验设备和实验方法等方面的最新进展。首先,讨论了动态岩石裂纹扩展测试的各种测量技术（X射线计算机断层扫描技术、焦散线法、数字图像相关法、裂纹扩展计、导电碳膜测试方法、声发射）;然后,以应变率为主线,从低到高依次总结了中低应变率、高应变率和超高应变率下岩石内裂纹动态扩展行为研究,系统讨论了落锤冲击装置、霍普金森压杆、爆炸实验中对裂纹扩展测试的实验方法和动态裂纹扩展特性,总结了不同应变率条件下岩石裂纹的起裂、扩展、止裂及动态断裂韧度等的演变规律。     

破片撞击下YAG透明陶瓷复合靶的破坏特性

YAG透明陶瓷兼具有优秀的透光性能和抗冲击破坏性能,是武器装备透明部分的优秀防护材料,在军事装备、航天等国防领域具有良好的应用前景。冲击载荷下材料的加载响应特性对掌握材料破坏机制至关重要,能为透明复合靶设计提供依据。为获得YAG透明陶瓷多层复合靶的冲击破坏特性,利用内径9 mm的气体驱动发射平台进行了碳化钨球形破片在20～310 m/s速度下撞击YAG透明陶瓷复合靶的实验,通过高速摄影捕捉的陶瓷表面损伤演化过程,计算了典型径向、环向裂纹扩展速度。通过观测回收的靶体和YAG碎片的宏细观破坏特征,分析了撞击速度与靶体破坏特征之间的联系。结果表明,YAG陶瓷层径向裂纹和环向裂纹扩展速度均随着时间的延长线性降低,且裂纹扩展速度几乎不受撞击速度影响。陶瓷层中心粉碎区面积随撞击速度的提高而增大,且中间玻璃层破坏区域面积与陶瓷锥底面积相关联,陶瓷锥角与撞击速度关联性不强。同时,观察到陶瓷层在冲击破坏过程中出现了裂纹簇,获得了裂纹簇数量与破片撞击速度之间的关系,分析了裂纹簇的特征及其成因。裂纹变向、应力波作用会显著影响细观断面破坏特征。径向、环向和锥裂纹中沿晶断裂的比例均随着裂纹扩展距离的增大而增加,且穿晶比例随着撞击速度的提高而增加。     

增韧环氧树脂的动态裂纹扩展研究

本文主要进行了环氧及增韧环氧树脂的断裂韧性及裂纹快速扩展的试验研究。试验过程中采用了ＧＬＣ－１型高速裂纹扩展测试仪来测试裂纹的扩展速度,得到在裂纹扩展过程中裂纹扩展速度曲线。本文结合不同的计算公式及有限元分析方法,讨论了各个确定断裂韧性公式的准确程度,发现传统的静态断裂韧性的分析方法所得到的结果偏大,有一定的危险性,建议使用试验与数值计算相结合的方法;同时还发现增韧不仅可以提高材料的静态和动态断裂性能,而且在裂纹扩展过程中可以起到减缓裂纹扩展的作用     

加载角度对层理页岩裂纹扩展影响的实验研究

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对页岩进行冲击实验,研究层理角度对页岩动态断裂过程的影响,在裂尖设置裂纹扩展计,借助高速摄影和数字图像相关（DIC）技术对页岩中心切槽半圆盘弯曲（NSCB）试件断裂的全过程进行研究,得到了不同加载角度下页岩的动态起裂韧度、裂纹扩展速度、断裂过程中应变场和水平位移场的变化规律。实验发现:不同加载角度下,页岩的动态起裂韧度具有显著的各向异性,加载角度与动态起裂韧度呈正相关;加载角度对试样的裂纹扩展速度具有显著影响,与裂纹扩展速度呈负相关;当冲击速度较低时,切槽方向是裂纹扩展的优势方向,而当冲击速度较高时,试样会产生沿层理弱面的次生裂纹,次生裂纹对试样的断裂具有显著影响。     

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     

Study on the mechanisms and quantitative law of mode I supersonic crack propagation

Continuum mechanics predicts that the propagation speed of non-equilibrium information in solids is limited by the longitudinal wave speed, so is crack propagation. However, solids are essentially discrete systems. In this paper, via theoretical analysis and numerical simulations, it is demonstrated in a straightforward way that non-equilibrium disturbance (e.g. force, displacement, energy, and so on) can propagate at a supersonic speed in discrete systems, although the magnitude of the disturbance attenuates very quickly. In dynamic fracture, a cascade of atomic-bond breaking events provides an amplification mechanism to counterbalance the attenuation of the disturbance. Therefore, supersonic crack propagation can be realized in a domino way. Another key factor for supersonic crack propagation is to ensure sufficient energy flowing into the crack tip. Since most energy can only be transferred at a speed limited by the longitudinal wave speed, the conditions for the occurrence of supersonic crack propagation are not easily met in most situations, unless there is high pre-stored energy along the crack path or continuous energy supply from the loading concomitantly moving with the crack tip. A quantitative relation between supersonic crack propagation speed and material properties and parameters is given, which implies that knowing all the classical macroscopic quantities is not enough in determining the supersonic crack propagation speed, and the microstructure does play a role. Moreover, it is interesting to note that fracture toughness affects the crack propagation speed in the subsonic regime, but not in the supersonic regime, because the deformation/stress is uniform in front of a supersonic crack where strength criterion dominates.     

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。     

Approaches to dynamic fracture modelling at finite deformations

The focus of the present paper is on the finite element modelling of dynamic fracture based on the concept of locally enriched element shape functions in the vicinity of the crack, in line with the eXtended Finite Element Method (X-FEM). For this purpose, the proper governing equations for the case of a propagating crack within a hyperelastic material is established, including the definition of the concept of material motion which kinematically describes the progression of the crack. Furthermore, two different approaches to describe the material degradation and separation are proposed. The first approach, denoted the material crack driving force model, is based on the concept of material (or configurational) forces associated with the material motion. The basic motivation is that, in this context, a driving force is identified at the crack tip, which points in the direction of maximum energy release upon crack propagation. An additional interesting feature of this force is that the projection in the crack propagation direction corresponds to the energy released for such a propagation, whereby an intuitive criterion for crack propagation based on the direction and magnitude of this force is proposed. The second approach is based on the classical cohesive zone concept, extended to include rate effects to capture experimentally observed phenomena such as growing process zones during propagation as well as limited crack propagation speeds well below the theoretical limit. Both models are investigated and compared in a couple of numerical examples in the latter part of the paper, showing both the predictive capabilities as well as some limitations of the two approaches. It has also been shown that, for a specific set of parameters, the two models can reproduce (almost) the same response.     

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.      

复合型裂纹断裂和扩展速率试验夹具及裂纹长度测量方法

本文设计了复合型裂纹断裂和扩展试验夹具及试样,借助此夹具可以在拉压疲劳试验机上进行多种复合型裂纹断裂及扩展速率试验,针对此夹具和试样提出了复合型裂纹长度测量的显微镜直读比拟法,并应用设计的夹具和提出的裂纹长度测量方法的MTSnew810上进行了多种复合型裂纹扩展速率试验,获得了复合型裂纹扩展的a-N曲线及一些新的结果。     

Microscopic analysis of crack propagation for multiple cracks, inclusions and voids

The elastic crack interaction with internal defects, such as microcracks, voids and rigid inclusions, is investigated in this study for the purpose of analyzing crack propagation. The elastic stress field is obtained using linear theory of elasticity for isotropic materials. The cracks are modeled as pile-ups of edge dislocations resulting into a coupled set of integral equations, whose kernels are those of a dislocation in a medium with or without an inclusion or void. The numerical solution of these equations gives the stress intensity factors and the complete stress field in the given domain. The solution is valid for a general solid, however the propagation analysis is valid mostly for brittle materials. Among different propagation models the ones based on maximum circumferential stress and minimum strain energy density theories, are employed. A special emphasis is given to the estimation of the crack propagation direction that defines the direction of crack branching or kinking. Once a propagation direction is determined, an improved model dealing with kinked cracks must be employed to follow the propagation behavior.     

整体加筋壁板裂纹扩展轨迹模拟及控制分析

应用有限元方法并结合裂纹扩展方向判据分析模拟了飞机整体加筋壁板裂纹的扩展轨迹,与实验结果对比证明此方法的有效性;并通过壳单元模型和粘聚区渐进损伤模型详细讨论了影响整体加筋壁板裂纹扩展的筋条参数,研究了壁板筋条对裂纹止裂的控制,并对不同参数下裂纹的应力强度因子和扩展情况作对比分析.文章所述方法和结论对于飞机整体加筋壁板的损伤容限设计具有指导意义.     

岩石材料动态破坏的近场动力学方法数值模拟

裂纹的聚集、扩展、分叉是岩石等脆性材料破坏失效的关键因素，本文在验证了近场动力学方法在研究岩石类材料裂纹动态扩展方面的有效性之后，采用近场动力学方法分别对冲击载荷作用下含有双裂纹岩石材料和单轴压缩作用下含单斜裂纹的岩石材料进行数值模拟．结果表明，对于双垂直裂纹，其裂纹扩展路径大致与预制裂纹成70°夹角；对于单裂纹，裂纹的扩展路径随裂纹倾角的变化而变化，最终导致构件的整体破坏．数值模拟结果表明近场动力学方法可以很好地模拟岩石等脆性材料的裂纹扩展直至破坏的过程，反映裂纹扩展的物理机理；其作为一种新的基于非局部理论的数值方法，在地下岩体工程方面及页岩气的开采方面会有很好的发展前景．