一种弹塑性材料动态起裂韧度的J表征和测试方法

在数值计算的基础上提出了一个弹塑性材料动态起裂韧度的J表征和测试方法．这一方法利用自行研制的间接杆-杆型冲击拉伸试验装置，对周边切口的短圆柱试件实施基于一维试验原理的弹塑性材料动态断裂试验；利用试件两端的平均载荷—相对位移曲线(P-δ)或平均载荷-裂纹张开位移曲线(P-△)，推广Bice远场公式获得动态J积分；采用柔度变化率法确定裂纹起裂点，从而得到动态起裂韧度JJD．这一方法的优点在于利用P-δ或P-△曲线将外力对试件所做的与裂纹运动无关的质心惯性运动动能近似地从总能量中分离出来，且平均载荷P在起裂前以至失稳扩展前是单调增的，同时试验获得的P-δ和P-△曲线光滑，这使得用J积分作为裂纹尖端的表征参量以及用柔度变化率法确定起裂点和失稳点具有坚实的物理基础．     

双边切口薄板小试件动态弹塑性有限元分析

对［１］中采用的双边切口薄板小试件进行了动态弹塑性有限元分析，计算了动态积分，研究论证了积分作为该试验系统试件裂端表征参量的可行性；对深裂纹Ｒｉｃｅ公式计算动态积分的有效性进行了验证。为文［１］提出的平面应力型动态弹塑性起裂韧度的表征与测试方法提供了进一步的论证。     

0Cr18Ni9不锈钢材料断裂韧度的实验研究和数值分析

从实验研究和数值分析两方面研究了0Cr18Ni9不锈钢材料的断裂韧度。首先,通过单轴拉伸测试得到0Cr18Ni9不锈钢材料的应力-应变曲线,并验证了该应力-应变曲线符合Ramberg-Osgood弹塑性本构模型,利用全局优化算法反演得到其弹塑性本构参数。然后,结合声发射技术和扫描电镜断口观察,确定了0Cr18Ni9不锈钢紧凑拉伸试样的起裂载荷和I型裂纹实际的起裂断裂韧度。进一步,根据数字图像相关方法得到的全场变形计算了J积分,J积分随时间逐渐增大;最后,采用有限元法计算了起裂时沿裂纹前缘各处的J积分分布,发现J积分呈现中间较大、表面较小的分布特征,而且有限元计算的J积分平均值与从光学位移场数据计算的J积分接近。     

弹塑性材料裂纹小量稳态扩展测试方法的讨论

弹塑性材料动态断裂试验结果表明,裂纹起裂后存在一个稳态扩展过程,为了获得材料的扩展阻力,该文利用自行研制的间接杆-杆型冲击托伸试验装置,通过控制入射脉冲和消除波二次反射加载影响,成功地在冲击拉伸试验装置上实施周边切口短圆柱小试件的冲击拉伸加卸载试验,即动态起裂止裂试验,依据动态起裂止裂试验和二次加载试验的结果,采用标定曲线法获得裂纹稳态扩展的轨迹a（t）,该文还推出了裂纹稳态扩展过程的J积分计算公式,根据P-δ曲线和裂纹稳态扩展的轨迹a=a(t),由此得到了材料小量稳态扩展阻力曲线JR-△a,结果表明,JR-△a曲线不随试件尺寸的变化而变化,可以作为材料的特征曲线,从而形成了弹塑性材料裂纹稳态扩展阻力特性的J表征和测试方法。     

求解Ⅰ型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量.目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务.以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是Ⅰ型裂纹试样的断裂韧性测试.本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种Ⅰ型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数.分析表明,6种Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好.新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值.应用新方法可便于获得各类Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.     

求解I型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.      

某船用钢动态弹塑性断裂韧性的试验测试

描述了利用Hopkinson压杆技术加载三点弯曲试样测试材料动态弹塑性断裂韧性的试验方法。材料的动态应力－应变行为测试在SHPB装置上进行，试样上的动态载荷历史由Hopkinson压杆直接测得，在此基础上，利用自行编制的ANSYS宏程序计算得到J积分历史；与起裂时间相对应的J积分值，即为动态弹塑性断裂韧性。采用上述方法进行了某船用钢的动态断裂试验，首次获得了该钢的动态弹塑性断裂韧性值，为舰船的抗爆能力计算，防动态断裂设计和安全评定提供了基础数据。     

动态J积分及Rice J积分一致性比较与分析

首先回顾了动态J积分的发展进程,然后给出了两种常用动态J积分和Rice J积分的数学计算式,并对它们的一致性加以讨论,由此提出一种广义J积分的定义。然后通过算例,基于ANSYS软件,建立平面应变情形下纯I型中心裂纹模型,并利用编写的APDL程序计算了各个J积分,通过结果比较,进一步验证了在动态加载条件下,动态J积分比Rice J积分具有更好的路径守恒性,但仍可以看出它们的取值具有一定的一致性。最后,通过J积分间接法和裂尖位移外推法分别计算裂纹动态应力强度因子,所得结果吻合很好,验证了编写程序的正确性。     

爆炸荷载下青砂岩动态起裂韧度的测试方法

为了研究爆炸荷载下青砂岩I型裂纹动态断裂韧度的测试方法，利用内部中心单裂纹圆盘（internal center single crack disc，ICSCD）试样进行了爆炸试验研究。试样由外径为400 mm、内部加载孔径为40 mm、预制裂纹长为60 mm的青砂岩制成。利用同步触发器实现圆盘中心起爆，并同步触发超动态应变仪，通过径向应变片获取爆炸应变曲线、裂纹尖端的环向应变片获取裂纹起裂时刻。以实测爆炸应变曲线为参量，应用Laplace变换推导出试样加载孔壁应力时程曲线表达式，并用数值反演法得出其数值解。利用ANSYS有限元软件，建立数值计算模型，通过相互作用积分法得出了在爆炸荷载作用下砂岩的I型动态应力强度因子曲线。研究结果表明:（1）ICSCD试件能够很好地用来测试岩石的动态起裂韧度；（2）炮孔周边的应力可以通过拉普拉斯变换的数值反演方法得到；（3）通过试验-数值法能稳定计算出ICSCD砂岩构型的动态起裂韧度，其最大误差仅为7%。     

平面应力型动态断裂韧度的一种测试方法

1 引言由于试验技术及动态断裂分析上的困难,材料动态断裂韧度的表征与测试方法至今仍然很不成熟,尤其对于弹塑性材料,进展更为缓慢.早期的动态断裂韧度测试多半是在落锤式试验机上进行的,且用表征和测量准静态断裂韧度的方法来处理试验数据,从而     

-196℃奥氏体不锈钢母材与焊缝的动态断裂韧性

在-196 ℃对S30408奥氏体不锈钢的母材和焊缝进行了夏比摆锤冲击实验,采用改进的柔度变化率法得到了低温下不锈钢母材夏比试样的起裂点。结果表明,采用改进的柔度变化率法得到的结果比采用传统的柔度变化率法得到的结果更准确。根据实验得到的载荷-位移曲线,结合采用Schindler法和关键曲线法各自所得结果的优点,得到了不锈钢母材的动态裂纹扩展阻力曲线（动态J-R曲线）。依据不锈钢焊缝在低温动载下的载荷-位移曲线及其断裂特征,通过线弹性断裂力学计算获得其动态断裂韧性。     

随机有限元方法在断裂分析中的应用

在幂律非线性随机有限元基础上,以单边裂纹板为例给出计算含量钢继裂参数,J（J积分）,δ（裂纹张开位移）,Δ（由裂纹引起的裂纹板上下底面相对位移）,θ（由裂纹引起的裂纹板上下底在相对转角）及其对基本随机变量变化率的方法和分析算例。     

Analytical and experimental determination of dynamic impact stress intensity factor for 40 Cr steel

A linear elastic three-dimensional finite element analysis is made to analyze the near field stress behavior of an edge cracked rectangular bar simply supported and subjected to central impact at the back side of the crack. The material is made of 40 Cr steel. Determined numerically are the local time histories of the stress wave, displacement near load point, crack tip strain, and dynamic stress intensity factor K_(d)¹. The above quantities were also measured experimentally by performing impact tests; they agreed well with the analytical results and determine the load at fracture initiation and hence the critical dynamic stress intensity factor K_(d)^1c. The interaction effect between the loading bar and specimen appears to be negligible.     

平面应变下紧凑拉伸试样的动态断裂韧性的实验研究

材料的动态断裂韧性是衡量材料在动载荷作用下抵杭裂纹扩展能力的重要指标,以往的材料动态断裂韧性测试多采用三点弯曲试样,而针对紧凑拉伸试样的动态断裂韧性研究很少.本文将紧凑拉伸试样(即CT试样)简化成等效弹簧质量模型,得到了CT试样动态应力强度因子的近似表达式.对Hopkinson压杆装置进行了改进,利用改进后的实验装置进...     

Refined Dugdale plastic zones of an external circular crack

The refined Dugdale-type plastic zones ahead of an external circular crack, subjected to a uniform displacement at infinity, are evaluated both analytically and numerically. The analytical method utilizes potential theory in classical linear elasticity with emphasis on the contrast from the internal crack problem. A closed-form solution to the mixed boundary problem is obtained to predict the length of the plastic zone for a Tresca yield condition. The analytical solution is also used to benchmark the results obtained from the numerical method, which show good agreement. Through an iterative scheme, the numerical technique is able to estimate the size of crack tip plasticity zone, which is governed by the non-linear von Mises criterion. The relationships between the applied displacement and the length of the plastic zone are compared for the different yielding conditions. Computational modeling has demonstrated that the plastic constraint effect based on the true yield condition can significantly influence the load-bearing capacity. It is also discovered from the comparative study that the stress components predicted by the three different yield conditions may differ notably; however, the stress triaxiality in the ligament region has only small deviations. The proposed study may find applications in predicting the plastic flow in a circumferentially notched round bars under tension.     

A Semi-Circular Bend Technique for Determining Dynamic Fracture Toughness

We propose and validate a fracture testing method using a notched core-based semi-circular bend (SCB) specimen loaded dynamically with a modified split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus. An isotropic fine-grained granitic rock, Laurentian granite (LG) is tested to validate this dynamic SCB method. Strain gauges are mounted near the crack tip of the specimen to detect the fracture onset and a laser gap gauge (LGG) is employed to monitor the crack surface opening distance. We demonstrate that with dynamic force balance achieved by pulse shaping, the peak of the far-field load synchronizes with the specimen fracture time. Furthermore, the evolution of dynamic stress intensity factor (SIF) obtained from the dynamic finite element analysis agrees with that from quasi-static analysis. These results prove that with dynamic force balance in SHPB, the inertial effect is minimized even for samples with complex geometries like notched SCB disc. The dynamic force balance thus enables the regression of dynamic fracture toughness using quasi-static analysis. This dynamic SCB method provides an easy and cost-effective way to measure dynamic fracture toughness of rocks and other brittle materials.     

A computer simulation of the tension test

A dynamic finite-difference computer program is used to calculate the quasi-static necking deformation of a round tensile bar to 71 per cent reduction in area. Finite strain and rotation are accounted for. We modelled the behavior of A-533 Grade B Class 1 nuclear-pressure-vessel steel as elastic work-hardening plastic material, using J₂-flow theory and a flow curve obtained from a simple tensile test. Up to the time of fracture, computed results of neck radius vs load and elongation, load vs elongation, and neck profile vs neck radius compare favorably with experimental results. We present the macroscopic stress and strain state at fracture and compare these results with those of Bridgman and other calculators. Our calculated neck stress shows monotonically decreasing stress in the radial direction and does not show the sharp stress peaks on the axis or the rounder stress peaks off the axis that these earlier calculations show. We find considerable differences from the Bridgman solution. An iterative computer method is introduced to allow correction of simple tension-test data to a universal flow-stress curve valid for large strain.     

考虑应力三轴度影响的30CrMnSiNi2A钢韧性断裂研究

30CrMnSiNi2A钢是一种在军工领域应用广泛的低合金高强度钢。针对结构完整性的评估问题,采用试验和数值计算结合的方法研究了30CrMnSiNi2A钢的韧性断裂特性。对光滑圆棒试件在不同温度下进行准静态和动态拉伸试验,并通过有限元迭代方法标定了材料的Johnson-Cook动态本构模型参数,分析了温度和应变率对30CrMnSiNi2A钢断裂行为的影响。开展了缺口圆棒拉伸、缺口平板剪切和圆柱压缩试验,计算了各试件对应的平均应力三轴度和断裂应变,给出了应力三轴度在?1/3～1.5区间内的断裂应变变化曲线,分别确定了Johnson-Cook和Bao-Wierzbicki失效模型参数。研究表明,30CrMnSiNi2A钢的断裂应变与应力状态密切相关,且在不同的应力三轴度区间内曲线单调性差异较大,Bao-Wierzbicki失效模型较好地描述了这种钢在不同应力状态下的断裂特性。     

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．