考虑夹杂相互作用的复合陶瓷夹杂界面的断裂分析

复合材料中夹杂含量较高时,夹杂间的相互作用能显著改变材料细观应力应变场分布,基体和夹杂中的平均应力应变水平也会发生较大变化,导致复合材料强度等力学性能发生显著变化.为修正单一夹杂模型运用在实际材料中的误差,基于相互作用直推估计法,建立一种考虑含夹杂相互作用的夹杂界面裂纹开裂模型.首先根据相互作用直推估计法,得到残余应力和外载应力共同作用下夹杂中的平均应力,再计算无限大基体中相同的夹杂达到相同应力场时的等效加载应力,将此加载应力作为含界面裂纹夹杂的等效应力边界条件,在此边界条件下求得界面裂纹尖端的应力强度因子,进而得到界面裂纹开裂的极限加载条件,并分析了夹杂弹性性能、含量、热残余应力、夹杂尺寸等因素对界面裂纹开裂条件的影响.结果表明,方法能够有效修正单夹杂模型运用在实际材料中的误差,较大的残余应力对界面裂纹开裂有重要的影响,夹杂刚度的影响并非单调且比较复杂;在残余应力较小时,降低柔性夹杂刚度或者增大刚性夹杂刚度都有利于提高材料强度;扩大夹杂尺寸将导致裂纹开裂极限应力显著降低,从而降低材料强度.     

穿透夹杂界面的半无限楔形裂纹尖端螺型位错的发射研究

摘要：研究了穿透圆形夹杂界面的半无限楔形裂纹与裂纹尖端螺型位错的干涉问题。应用复变函数解析延拓技术与奇性主部分析方法，得到了位错位于半圆形夹杂内部时，半无限基体和半圆形夹杂内复势函数的解析解。然后利用保角映射技术得到了穿透圆形夹杂界面的半无限楔形裂纹尖端螺型位错产生的应力场以及作用在位错上的位错力的解析表达式。主要讨论了螺型位错对裂纹的屏蔽效应以及从楔形裂纹尖端发射位错的临界载荷条件。研究结果表明正的螺型位错可以削弱楔形裂纹尖端的应力强度因子，屏蔽裂纹的扩展，屏蔽效应随位错方位角的增大而减小。位错发射所需的无穷远临界应力随发射角的增加而增大，最可能的位错发射角度为零度，直线裂纹尖端位错的发射比楔形裂纹尖端位错的发射更容易，硬基体抑制位错的发射。     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出:层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26?时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.     

压电螺位错与含界面裂纹圆形涂层夹杂的干涉

研究位于基体或夹杂中任意点的压电螺型位错与含界面裂纹圆形涂层夹杂的电弹耦合干 涉问题. 运用复变函数方法，获得了基体，涂层和夹杂中复势函数的一般解答. 典型例 子给出了界面含有一条裂纹时，复势函数的精确级数形式解. 基于已获得的复势函数和广 义Peach-Koehler公式，计算了作用在位错上的像力. 讨论了裂纹几何条件，涂层厚度和材 料特性对位错平衡位置的影响规律. 结果表明，界面裂纹对涂层夹杂附近的位错运动有很大 的影响效应，含界面裂纹涂层夹杂对位错的捕获能力强于完整粘结情况；并发现界面裂纹长 度和涂层材料常数达到某一个临界值时可以改变像力的方向. 解答的特殊情形包含了以 往文献的几个结果.     

高应变率下ZrB2-SiC陶瓷复合材料压缩力学性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆装置,测试了高应变率下ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩力学性能,应变率范围为900s^-1~3000s^-1。结果表明:ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩强度与临界应变均随应变率的增大而增加,2950s^-1时压缩强度与临界应变比981s^-1时分别增大了88.72%和148.85%;应变率对ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料的动态压缩应力-应变曲线与破坏机理影响显著,应变率为1134s^-1时,ZrB2-20%SiC陶瓷复合材料破坏模式以裂纹扩展为主,应变率为2861s^-1时,多裂纹扩展为该材料的主要破坏机理;应变率越高,试件的损伤程度越大,压缩试件碎片尺寸越小,压缩应力-应变曲线的非线性越明显。     

基于弹性-塑性内聚力模型的纤维拔出界面宏观行为分析

用解析法分析了单纤维从聚合物基体中的拔出过程,采用弹性—塑性内聚力模型模拟裂纹的扩展和界面失效,确定了临界纤维埋入长度,该值区分两种不同长度的纤维拔出过程. 在纤维拔出过程,界面经历不同的阶段. 纤维埋长小于临界长度时,界面的脱粘载荷与纤维的埋长成正比;超过临界长度后,界面的脱粘载荷近似为常数. 分析了界面参数对脱粘载荷的影响:增加界面的剪切强度和界面的断裂韧性,或减小界面裂纹萌生位移,均能提高界面的脱粘载荷;界面脱粘后无界面摩擦应力时,拔出载荷—位移曲线的峰值载荷等于界面的脱粘载荷;界面摩擦应力存在时,使峰值载荷大于脱粘载荷,需要较长的纤维埋入长度和较大的界面摩擦应力.     

增强相/夹杂内螺位错偶极子与含共焦钝裂纹椭圆夹杂的干涉效应

运用弹性力学的复势方法，研究了纵向剪切下增强相/夹杂内螺型位错偶极子与含共焦钝裂纹椭圆夹杂的干涉效应，得到了该问题复势函数的封闭形式解答，由此推导出了夹杂区域的应力场、作用在螺型位错偶极子中心的像力和像力偶矩以及裂纹尖端应力强度因子级数形式解。并分析了位错偶极子倾角 、钝裂纹尺寸和材料常数对位错像力、像力偶矩以及应力强度因子的影响。数值计算结果表明：位错像力、像力偶矩以及应力强度因子均随位错偶极子倾角做周期变化；夹杂内部的椭圆钝裂纹明显增强了硬基体对位错的排斥，减弱了软基体对位错的吸引，且对于硬夹杂，位错出现了一个不稳定平衡位置，该平衡位置随钝裂纹曲率的增大不断向界面靠近；变化 值将出现改变位错偶极子对应力强度因子作用方向的临界值。     

基于构型力断裂准则的裂纹与夹杂干涉问题

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂(圆孔、软夹杂、硬夹杂)干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45?时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

CRACK INTERACTING WITH AN INDIVIDUAL INCLUSION BY THE FRACTURE CRITERION OF CONFIGURATIONAL FORCE

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展，而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则，本文开发构型力的有限元计算方法，实现对裂纹扩展的数值模拟，并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明，基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用，其数值模拟结果与实验结果相符，从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂（圆孔、软夹杂、硬夹杂）干涉问题的数值模拟表明，裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展，而硬夹杂会排斥裂纹扩展，裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时，夹杂对裂纹扩展的影响作用明显，当夹角较大时，夹杂对裂纹扩展的影响较小；特别当裂纹与夹杂夹角为45°时，软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展，使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题，对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

各向异性双材料界面裂纹扩展裂尖场

应用界面断裂力学理论和Stroh方法,研究了广义平面变形下动态裂纹沿着各向异性双材料界面扩展时的裂尖奇异应力及动态应力强度因子.双材料界面的动态裂尖区域特性主要由两个实矩阵W和D确定,且裂尖奇异应力和动态应力强度因子可以由包含这两个矩阵的柯西奇异积分方程确定,同时给出了动态应力强度因子和能量释放率的显示表达式.算例得出当裂纹以小速度扩展时,裂尖振荡因子ε与静态时几乎相同,当界面裂纹扩展速度接近瑞利波速时,ε趋于无穷大;同时得出应力强度因子及能量释放率随裂纹扩展速度的变化关系.     

BOUNDARY ELEMENT ANALYSIS OF INTERACTIONBETWEEN AN ELASTIC RECTANGULARINCLUSION AND A CRACK

The interaction between an elastic rectangular inclusion and a kinked crack inan infinite elastic body was considered by using boundary element method. The new complexboundary integral equations were derived. By introducing a complex unknown function H(t)related to the interface displacement density and traction and applying integration by parts,the traction continuous condition was satisfied automatically. Only one complex boundaryintegral equation was obtained on interface and involves only singularity of order l/ r. Toverify the validity and effectiveness of the present boundary element method, some typicalexamples were calculated. The obtained results show that the crack stress intensity factorsdecrease as the shear modulus of inclusion increases. Thus, the crack propagation is easiernear a softer inclusion and the harder inclusion is helpful for crack arrest.     

夹杂和裂纹相互影响时的界面应力分析

本文结合无限域上单根夹杂和单根裂纹的基本解,将裂纹与夹杂相互作用的问题归结为解一组柯西型奇异积分的积分方程组,使问题得到解决。本文还使用夹杂两侧的未知界面应力差,进一步推导了夹杂两侧的界面应力,并做了数值计算。有关这方面的计算可以作为研究与设计纤维与基体的联结强度的工程参考。     

夹杂对两相材料界面裂纹的影响

根据界面上应力和位移的连续条件,得到了单向拉伸状态下,含有椭圆夹杂的无限大双材料组合板的复势解。进一步通过求解Hilbert问题,得到了含有夹杂和半无限界面裂纹的无限大板的应力场,并由此给出了裂尖的应力强度因子K。计算了夹杂的形状、夹杂的位置、夹杂的材料选取以及上、下半平面材料与夹杂材料的不同组合对裂尖应力强度的影响。计算结果表明夹杂到裂尖的距离和夹杂材料的性质对K影响较大,对于不同材料组合,该影响有较大差异。夹杂距裂尖较近时,会对K产生明显屏蔽作用,随着夹杂远离裂尖,对K的影响也逐渐减小。另外,软夹杂对K有屏蔽作用,硬夹杂对K有反屏蔽作用,而夹杂形状对K几乎没有影响。     

ANTI-PLANE ANALYSIS FOR ELLIPTICAL INCLUSION IN MAGNETOELECTROELASTIC MATERIALS

This paper considers the multi-field coupling in magneroelectroelastic composite materials consisting of the inclusion and the matrix are magnetoelectroelastic materials. The mechanical,electric and magnetic fields around an elliptical cylinder inclusion are formulated by complex potentials. Inside the inclusion,the strain,electric and magnetic fields are found to be uniform and vary with the shape of the ellipse. When the inclusion is reduced to a crack,along the interface,the strain,electric field strength and magnetic field strength equal the corresponding remote ones,which can be used as the boundary condition. Special cases,such as a rigid and permeable inclusion,a soft and impermeable inclusion,a line inclusion and a crack problem are discussed in detail.     

Interaction Between Crack and Elastic Inclusion

ＩＮＴＥＲＡＣＴＩＯＮＢＥＴＷＥＥＮＣＲＡＣＫＡＮＤＥＬＡＳＴＩＣＩＮＣＬＵＳＩＯＮＺｈａｎｇＭｉｎｇ－ｈｕａｎ（张明焕），ＴａｎｇＲｅｎ－ｊｉ（汤任基）（ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２０００３０，Ｐ．Ｒ．...     

A crack along the interface of a circular inclusion embedded in an infinite solid

The two-dimensional problem of an arc shaped crack lying along the interface of a circular elastic inclusion embedded in an infinite matrix with different elastic constants is considered. Based on the complex variable method of Muskhelishvili, closed-form solutions for the stresses and the displacements around the crack are obtained when general biaxial loads are applied at infinity. These solutions are then combined with A.A. Griffith's virtual work argument to give a criterion of crack extension, namely the de-bonding of the interface. The critical applied loads are expressed explicitly in terms of a function of the inclusion radius and the central angle subtended by the crack arc. In the case of simple tension the critical load is inversely proportional to the square-root of the inclusion radius. By analyzing the variation of the cleavage stress near the crack tip, the deviation of the crack into the matrix is discussed. The case of uniaxial tension is worked out in detail.     

THE EFFECT OF AN ELASTIC TRIANGULAR INCLUSION ON A CRACK

IntroductionWiththedevelopmentofparticleandfiberreinforcedcomposites,theinclusion_crackinteractionproblemisbecominganimportantfieldbeingstudied .Andasamodel,itisalsousedtostudytheeffectsofmaterialdefectsonthestrengthandfractureofengineeringstructure.TheinterationbetweencircularinclusionandcrackwasstudiedinRefs.[1 -6 ] ;InRefs.[7-1 2 ] ,theinterationbetweenlineinclusionandcrackswasdiscussed ;TheinterationbetweenellipticalinclusionandcrackwasstudiedinRefs.[1 3,1 4] .However,withthedevelopmento…     

压电材料反平面应变状态的椭圆夹杂及界面裂纹问题

本文采用共法求解了压电材料反平面变形的椭圆夹杂及界面裂纹问题，前者的解答表明当远场外力均匀分布对夹杂内的应力场及电位移场是常量，后者解答表明在界面裂纹的裂尖处，应力及电位移都具有γ＾－１／２的奇异性。