基于线法的U形切口混凝土梁断裂参数研究

混凝土的断裂韧度是重要的材料参数，本文利用含U形切口的三点弯曲梁试验结合临界距离线法来获得混凝土的断裂韧度．理论推导了含断裂韧度与不同根部半径的断裂失效方程，采用有限元法计算了切口应力集中系数．根据断裂失效方程和试验中的材料几何参数，利用最小二乘法拟合计算得到混凝土材料的断裂韧度和抗拉强度．对小切口半径情形，采用双K断裂准则分析计算了混凝土起裂韧度和失稳断裂韧度，分析结果表明：临界距离线法得到的材料断裂韧度与双K断裂准则中的失稳断裂韧度吻合，同时获得相应临界距离值．     

平面应变断裂韧度测试的有效性研究

针对平面应变断裂韧度测试厚度存在的问题,研究了几种材料测断裂韧度所需的实际厚度,拟合了平面应力到平面应变过渡状态下σz应力的分布,分析了过渡状态下的裂端应力场.通过分析不同材料特性和应力状态对断裂韧度KIC的影响,结合金属材料断裂的细观机理,认为平面应变断裂韧度KIC反映的是材料正断的性能,仅代表材料发生正断的指标.结果表明:对于某些高韧性材料,即使满足平面应变条件厚度要求,断裂以剪断为主,很难测出KIC;而对于偏脆性材料,即使不满足厚度要求,只要发生正断,也可测出KIC.结合已有试验结果,为平面应变断裂韧度KIC测定的厚度选择,提出一种合理的预测方法.借助三片模型的研究,给出平面应变断裂韧度的正断指标.     

金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟

随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用,对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值。本研究基于有限元和实验相结合的方法,对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测。首先,通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值,并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率。随后,以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值,通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律。最后,为了验证有限元模拟结果的准确性,本研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验,并将试验结果与有限元结果进行了对比,验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性。本研究旨在,通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作,即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线,为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法,有益于缩减试验成本,为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据。     

混凝土双K断裂参数计算的半解析有限元法

混凝土裂缝扩展的双$K$断裂准则，用于描述混凝土结构裂缝的起裂、稳定扩 展和失稳断裂. 其相应的双$K$断裂参数(起裂断裂韧度$K_{\rm IC}^{\rm ini} $和失 稳断裂韧度$K_{\rm IC}^{\rm un}$)一般通过简便的试验和基于虚拟裂缝扩展粘 聚力的解析方法确定. 利用平面扇形域哈 密顿体系的方程，通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法，以解析的方法推导出基于混 凝土虚拟裂缝扩展线性粘聚力模型的平面裂缝解析元列式. 将该解析元与有限元相结合，构成 半解析的有限元法，可求解任意结构几何形状的混凝土平面裂缝双$K$断裂参数的计算问题. 数值计算结果表明半解析有限元法对该类问题的求解是十分有效的.     

混凝土平面应变断裂韧度测试初探

本文对混凝土三点弯曲试验资料分析研究,通过详细数据计算得到混凝土平面应变断裂韧度(仅制备预制裂纹)的初步数值.并对混凝土平面应变断裂韧度的测试结果做了深入讨论.     

原状冻土Ⅱ型非线性断裂韧度实验测试研究

由于原状冻土处于自然状态下,其本构关系及水分、温度的分布符合实际状态,而且其实际破坏形式往往是非线性的剪切破坏,所以论文采用了非线性冻土断裂实验模型,对自然状态下的原状冻土进行了断裂破坏实验,着重对Ⅱ型断裂(剪切)破坏的四点弯曲直裂纹试样进行了实验研究.实验过程中改造了四点弯曲实验台,采用着色法测量预制裂纹尺寸.实验原理采用基于能量平衡的方法,利用数据采集系统分别测出了原状冻土四点弯曲试样加力点处位移与力的关系曲线以及相应的非线性参数,推导出裂纹扩展非线性能量释放率计算公式,当试样达到承载极限状况时测试出Ⅱ型断裂试样非线性断裂韧度.同时,提出了修正因子计算非线性断裂韧度的方法,将能量方法测试结果与修正因子方法结果进行了对比,二者基本是一致的.以上提出的冻土Ⅱ型断裂非线性断裂韧度测试方法,及获得的非线性断裂韧度测试结果,为非线性理论研究和工程应用提供了依据.     

压电复合材料粘接界面断裂有限元模拟

根据数字化FRMM(Fix-Ratio Mix-Mode)断裂试验,得到了压电复合材料试件的断裂韧性和位移及应变场。本文在试验的基础上,通过非线性有限元软件ABAQUS及用户子程序UMAT进行了模拟分析,采用基于损伤力学的粘聚区模型(CZM)对压电复合材料界面的起裂和脱胶扩展进行了分析,并与VCCT方法进行了比较。计算得到的荷载位移曲线更接近于试验结果,但在裂纹扩展路径上的吻合需要对粘聚区法则进一步修正。通过进一步对CZM参数进行分析,表明界面粘结强度和界面刚度对计算结果的影响很大。研究结果表明,粘聚区模型可以很好地表征压电复合材料弱粘接界面脱胶断裂问题。     

双材料界面裂纹复应力强度因子的正则化边界元法

双材料界面裂纹渐近位移和应力场表现出剧烈的振荡特性, 许多用于表征经典平方根($r^{1/2})$和负平方根($r^{-1/2})$渐近物理场的传统数值方法失效, 给界面裂纹复应力强度因子($K_{1} +{i}K_{2} )$的精确求解增加了难度. 引入一种含有复振荡因子的新型"特殊裂尖单元", 可精确表征裂纹尖端渐近位移和应力场的振荡特性, 在避免裂尖区域高密度网格剖分的情况下, 可实现双材料界面裂纹复应力强度因子的精确求解. 此外, 结合边界元法中计算近奇异积分的正则化算法, 成功求解了大尺寸比(超薄)双材料界面裂纹的断裂力学参数. 数值算例表明, 所提算法稳定, 效率高, 在不增加计算量的前提下, 显著提高了裂尖近场力学参量和断裂力学参数的求解精度和数值稳定性.      

三相压电复合本构模型中的弧形界面裂纹

深入研究了三相同心圆柱压电复合本构模型中的弧形绝缘界面裂纹问题。采用复势方法获得了该问题的级数形式的解答,并给出了应力、应变、电位移和电场强度等物理量在全场及界面上的分布,同时推导了裂尖处广义强度因子及裂面张开位移和裂面上电势差的表达式。具体计算表明该级数解答收敛迅速,同时显示出第三相混杂区的影响是不能忽略的。由于裂尖处应力奇异性为－1／2,则这种解答不会出现平面应变状态下界面裂纹裂尖处的振荡奇异性,从而不会产生违反物理实际的裂面相互嵌入现象,则该弹性解答也是建立了坚实的物理基础之上。     

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。     

断裂力学判据的评述

从Inglis 和Griffith 的著名论文到Irwin 和Rice 等的奠基性贡献,对断裂力学中的线弹性断裂力学的K判据,界面断裂力学的G判据,和弹塑性断裂力学的J 判据作了扼要的综述. 介绍了在界面断裂力学G判据的基础上提出的界面断裂力学的K判据,以说明断裂力学的判据存在改进的可能性. 在综述中归纳出断裂力学判据中目前还没有较好解决的几个问题. 在总结以往断裂力学研究经验的基础上,指出裂纹端应力奇异性的源是对断裂力学判据存在的问题作进一步研究的切入点. 探讨了裂纹端应变间断的奇点是裂纹端应力奇异性的源的问题,从而对裂纹端应力强度因子的物理意义进行了讨论. 最后,阐述了进行可靠的裂纹端应力场的弹塑性分析是改进弹塑性断裂力学判据的关键,而进行可靠的裂纹端应力场的弹塑性分析的前提是要通过裂纹端应力奇异性的源的研究来获得作用在裂纹端的造成裂纹端应变间断的有限值应力.      

镍基双晶体晶界断裂特性研究

对单晶体以及晶界平行晶粒裂纹和晶界垂直晶粒裂纹的双晶体的断韧性进行了实验研究,设计了三种三点弯曲试件,得到了单晶体和晶界的断裂韧性值,在晶界垂直晶粒裂纹的双晶体试验中,揭示了晶界对晶粒断裂的屏蔽效应;当裂纹距晶界某一特定长度时,断裂韧性值最大,理论分析和晶体滑移有限元数值分析揭示了这种屏蔽效应的机理,双晶晶界处的变表相容性导致了理解纹尖端应国和场的重新分布,并由此产生了晶界屏蔽效应。     

Finite deformation analysis of crack-tip opening in elastic-plastic materials and implications for fracture

Analyses of the stress and strain fields around smoothly-blunting crack tips in both non-hardening and hardening elastic-plastic materials, under contained plane-strain yielding and subject to mode I opening loads, have been carried out by use of a finite element method suitably formulated to admit large geometry changes. The results include the crack-tip shape and near-tip deformation field, and the crack-tip opening displacement has been related to a parameter of the applied load, the J-integral. The hydrostatic stresses near the crack tip are limited due to the lack of constraint on the blunted tip, limiting achievable stress levels except in a very small region around the crack tip in power-law hardening materials. The J-integral is found to be path-independent except very close to the crack tip in the region affected by the blunted tip. Models for fracture are discussed in the light of these results including one based on the growth of voids. The rate of void-growth near the tip in hardening materials seems to be little different from the rate in non-hardening ones when measured in terms of crack-tip opening displacement, which leads to a prediction of higher toughness in hardening materials. It is suggested that improvement of this model would follow from better understanding of void-void and void-crack coalescence and void nucleation, and some criteria and models for these effects are discussed. The implications of the finite element results for fracture criteria based on critical stress or strain, or both, is discussed with respect to transition of fracture mode and the angle of initial crack-growth. Localization of flow is discussed as a possible fracture model and as a model for void-crack coalescence.     

A multiscale model for the ductile fracture of crystalline materials

In this paper, a multiscale model that combines both macroscopic and microscopic analyses is presented for describing the ductile fracture process of crystalline materials. In the macroscopic fracture analysis, the recently developed strain gradient plasticity theory is used to describe the fracture toughness, the shielding effects of plastic deformation on the crack growth, and the crack tip field through the use of an elastic core model. The crack tip field resulting from the macroscopic analysis using the strain gradient plasticity theory displayes the 1/2 singularity of stress within the strain gradient dominated region. In the microscopic fracture analysis, the discrete dislocation theory is used to describe the shielding effects of discrete dislocations on the crack growth. The result of the macroscopic analysis near the crack tip, i.e. a new K-field, is taken as the boundary condition for the microscopic fracture analysis. The equilibrium locations of the discrete dislocations around the crack and the shielding effects of the discrete dislocations on the crack growth at the microscale are calculated. The macroscopic fracture analysis and the microscopic fracture analysis are connected based on the elastic core model. Through a comparison of the shielding effects from plastic deformation and the discrete dislocations, the elastic core size is determined.     

叠层结构陶瓷强韧化设计的力学分析

基于梁的理论和裂纹在异材界面上拐折与扩展条件,对叠层结构陶瓷弯曲试件的强度与韧性进行了力学分析,获得叠层结构中陶瓷基片和界面层的材料性能、结构几何参数与叠层结构弯曲强度、韧性间的定量解析关系,给出相应的影响曲线,并对Si3N4/BN叠层结构四点弯曲试样断裂功的理论值与实验结果作对比讨论。     

Micromechanics analyses of interface crack

A new mechanics model based on Peierls concept is presented in this paper, which can clearly characterize the intrinsic features near a tip of an interfacial crack. The stress and displacement fields are calculated under general combined tensile and shear loadings. The near tip stress fields show some oscillatory behaviors but without any singularity and the crack faces open completely without any overlapping when remote tensile loading is comparable with remote shear loading. A fracture criterion for predicting interface toughness has been also proposed, which takes into account for the shielding effects of emitted dislocations. The theoretical toughness curve gives excellent prediction, as compared with the existing experiment data. The project supported by the National Natural Science Foundation of China     

基于GMTS准则的岩石复合型断裂机理研究

使用国际岩石力学协会规定的半圆盘岩石试件,加工不同倾角的直裂纹试样,通过三点弯曲加载试验得到不同I-II复合比断裂的断裂韧性和初始断裂角．传统裂纹扩展准则忽视了常数项即T应力及更高阶项的影响,导致该扩展准则的理论预测结果存在较大缺陷,本文通过考虑常数项,建立广义最大周向应力准则(GMTS)．在此基础上,分别采用传统的裂纹扩展准则和考虑T应力的裂纹扩展准则预测不同复合比裂纹的断裂韧性和初始扩展角,然后对比理论预测结果和实验结果．分析可得：常数项即T应力对断裂的临界应力强度因子和初始断裂角的影响是不可忽略的,且II型断裂占比较大时影响更大,广义最大周向应力准则预测值与实验测试结果之间的误差最小．