Ⅰ－Ⅱ复合型韧性断裂研究进展

本文主要针对Ⅰ＋Ⅱ型裂纹问题，论述了这一领域近几十年研究工作的现状及最新进展．对该领域研究的趋向及存在的有关问题作了分析，讨论．指出：韧性材料在近Ⅰ型和近Ⅱ型时启裂及扩展的机理可能不同，目前所用的一些单参数判据要同时对两种不同机理作恰当描述有困难，可考虑采用双参数判据．同时，材料微结构及特征对断裂机理的影响也不可忽视     

岩石张拉与剪切断裂的比较

本文探讨了岩石Ⅱ型裂纹剪切断裂韧性的测试方法，并把结果与１型断裂及Ⅱ型裂纹和Ⅰ型扩展的断裂韧性、厚度效应及断裂机理等方面之间的差异进行了比较讨论。     

材质不均匀性引起的突进型裂纹亚临界扩展问题的探讨

一、前言 近二十多年来,国内外断裂力学方法基本上都按照均质材料来建立脆断判据及对脆断安全的判据。例如线弹性断裂力学中Ⅰ型问题的脆断判据及对脆断安全的判据分别为式中K_I为Ⅰ型应力强度因子,K_(Ic)为Ⅰ型平面应变断裂韧度,n_k为对于脆断的安全系数,[K_I]为允许的应力强度因子。K_I的表达式可写作如下的普遍形式:     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等σθεθ线面积断裂准则

为了研究构件中的复合型裂纹开裂角和裂纹扩展临界值,根据Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端附近等σε线所围成的面积大小的变化,提出了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂等θθσε线面积断裂准则,推导了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展的开裂角公式和断裂扩展准则表达式,结果表明纯Ⅱ型裂纹的0θ及断裂韧度比θθKⅡ/c KⅠc随泊松比的增大而降低.同时给出了Ⅰ-Ⅱ复合型等θθσε线面积断裂准则的理论预测曲线,并与部分实测值进行了对比分析,与其他准则以及试验数据对比分析表明:本准则的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂准则公式推导简单,工程应用方便;其理论预测值与现有部分材料的实验值相比误差在12%以内,表明本文提出的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等θθσε线面积断裂准则可以应用于部分材料的复合型断裂问题分析.     

裂纹动态起始问题的研究进展

力图就前人提出的冲击载荷下裂纹的起始判据进行较全面的综述．这些较著名的判据有：（１）动态应力强度因子判据；（２）动态Ｊ积分判据；（３）最小作用量判据；（４）极小作用时间判据等．简要介绍了近年来有关裂纹在冲击载荷（特别是短脉冲）下动态起始的一些重要实验和实验中所发现的一些重要结论．实验公认，一般对于小范围屈服而言，材料的动态断裂韧性随加载（应变）率的提高而减小，此时材料的断裂形式为解理型；而对于大范围屈服则韧性随加载率的提高而增大，此时材料的断裂形式为纤维型．特别指出，Ｂｒｏｗｎ大学的平板撞击实验表明，裂纹在起始时，观察到一个不再满足二分之一阶奇异性的“尖峰”，按Ｃｌｉｆｔｏｎ和Ｆｒｅｕｎｄ等人所给出的模型，在裂纹起始断裂瞬间，在裂纹顶端会突然形成一个小洞，该洞的半径作为一个参数等于二相粒子的间距．     

Ⅱ型加载条件下页岩断裂行为的预测研究

实际工程中岩体往往处于Ⅰ型和Ⅱ型加载同时存在的状态,而这种复合加载条件下岩石断裂行为的预测较为复杂,也是迫切需要解决的问题。本文基于Ⅰ型加载条件下测试得到的页岩试样断裂韧度,应用MTS(Maximum Tangential Stress,最大切向应力)断裂准则对页岩试样在Ⅱ型加载条件下的裂纹起裂角以及断裂韧度进行了预测。为评估预测效果,通过Ⅱ型加载条件下2种尺寸页岩断裂试验,发现Ⅰ型断裂韧度随岩样尺寸变化的趋势不同,Ⅱ型断裂韧度基本没有尺寸效应。通过比较预测结果以及试验结果发现,利用传统的MTS断裂准则预测的理论值与试验测试值相差较大。在预测过程中断裂过程区尺寸的确定也是非常重要的,如果不考虑断裂过程区的尺寸效应同样会造成很大的预测误差。结合MTS准则确定的断裂过程区尺寸,利用GMTS(Generalized Maximum Tangential Stress,广义最大切向应力)断裂准则预测的岩样裂纹起裂角以及断裂韧度都与试验测试值非常接近。     

非线性断裂模式下冻土复合型破坏的数值计算

冻土是多相复合材料,其内部含有很多孔洞,裂隙等缺隙,它的断裂破坏过程像岩石及混凝土等准脆性材料一样具有明显的非线性特征.本文提出了一种胶结力裂纹模型来模拟冻土的断裂破坏过程.这种模型基于在裂纹尖端插入非线性界面元来模拟微裂纹区的胶结力(使裂纹闭合的力),裂纹扩展判据采用最大应变能释放率准则,同时编制程序对冻土Ⅰ-Ⅱ复合...     

弹塑性Ⅰ型裂纹端三维应力应变场的结构分析

本文从分析弹塑性力学的基本方程人手,探讨了幂硬化材料I型裂纹端三维应力应变场的结构,结果表明,按其应力特征,裂纹端沿厚度方向可划分为三个区域:ZⅠ,ZⅡ和ZⅢ,在区域ZⅠ,垂直于Z轴(厚度方向)的平面内应力分量可首先用平面应变条件下的基本方程求解,在区域ZⅢ,这些分量可首先用平面应力条件下的基本方程求解.本文定义区域ZⅡ为弹塑性Ⅰ型裂纹的过渡层,指出,过渡层是弹塑性Ⅰ型裂纹三维应力应变场的特性所在.对揭示其本质有特殊重要的意义.本文选择裂纹端张开位移(CTOD)作为描述局部解幅值系数的参数,并探讨了三维变形状态下,CTOD的分布规律.     

复合型韧性断裂实验和控制参数

通过对不同韧性材料在各种平面复合载荷形式下裂纹启裂阶段裂端变形、启裂位置和扩展方向的系统的宏微观实验验证及计算分析,考察了韧性断裂参数空穴扩张比的分布特征和裂纹启裂及扩展方向的关系．得到：对于不同韧性的材料,在裂端的钝化变形区域,空穴扩张比的极大值区对应干裂纹的启裂位置,裂纹启裂时钝化裂端前缘空穴扩张比的临界值不敏感于复合比的变化．而对于裂纹启裂后的扩展方向,则需根据具体材料在相应的特定区域中比较空穴扩张比参数极大值的分布特征,需经进一步的分析,从而确定裂纹的扩展方向．实验及计算结果表明,尽管复合型断裂时裂纹启裂及扩展的机理极其复杂,用于韧性材料复合型断裂的空穴扩张比参数仍能很好地预测裂端的启裂及扩展方向,可作为复合型韧性断裂过程的控制参数．     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等ε_θ线体积应变能断裂准则

利用裂纹尖端附近能量的变化去建立Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂准则是有效的方法之一。本文利用Ⅰ-Ⅱ型裂纹尖端周向应变ε_θ所围成的区域内体积应变能的变化,建立了基于等ε_θ线内体积应变能Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂准则;讨论了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂中的两种应力状态下的临界荷载比值;并将准则的预测值与最大正应力理论和应变能密度因子准则预测值以及已有部分材料的实验结果进行了对比分析。结果表明,本文的理论预测值与铬锰钢、混凝土材料以及PMMA材料的实验值相比基本吻合。说明该准则对于工程材料的复合型断裂问题分析具有一定的理论意义和参考价值。     

复合材料Ⅰ、Ⅱ混合型分层试验研究

通过对T300／5405、1300／913、1300／HD03三种航空材料Ⅰ、Ⅱ混合型分层研究，进一步研究了新的Ⅰ、Ⅱ混合型分层断裂测试的JJ法，并和MMB法进行了比较，发现两者较为吻合。但JJ法耗费试件少，简单易行，操作方便，有利于建立混合型分层的失效判据，它可以适用于不同环境下的混合型分层实验的测试。     

Ⅰ＋Ⅱ复合型弹塑性断裂的COD分析

以Ｒｉｃｅ的裂纹尖端钝化模型为基础定义了复合载荷下裂纹尖端的位移ＣＯＤ，ＣＴＯＤ和ＣＴＳＤ，ＣＴＯＤ和ＣＴＳＤ是复合型裂尖位移ＣＯＤ的Ⅰ和Ⅱ型分量。对铝合金Ｌｙ１２复合Ⅰ＋Ⅱ型弹塑性断裂行为进行了ＣＯＤ分析，并对复合载荷下ＣＯＤ与Ｊ积分关系进行了讨论。结果表明：（１）随Ⅱ型分量的增加，Ｌｙ１２启裂的ＣＯＤ值增加，纯Ⅱ型的启裂ＣＯＤ值理纯Ⅰ型的６倍：（２）Ｌｙ１２复合载荷下的ＣＯＤ与复合Ｊ积分值ＪＭ     

脆性材料破坏与莫尔理论存在的问题

材料受力时应力状态不同，则断裂过程物理机理会发生改变，脆性材料受拉时发生的拉断与受压时发生的剪断，是两种不同物理机理的断裂形式，而莫尔强度理论用一个断裂条件解决这两种断裂形式的强度问题，是否合理需要讨论，结合灰铸铁HT200材料在不同受力条件下的断裂破坏试验，对此问题进行了研究，结果表明，莫尔理论对复杂应力状态下材料断裂不能合理、准确地进行强度计算。     

复合型断裂中K1和K3的耦合效应对材料断裂韧性的影响

大量的实验结果表明,在Ⅰ、Ⅲ型同时存在的复合型断裂情况下,复合型临界应力强度因子K1f的数值往往比材料的断裂韧性K_(1c)大,最大可达K_1f=1.85K_(1c)。本文通过宏观和微观分析,讨论了在复合型断裂中,K_1和K_3的耦合效应对断裂机理和材料断裂韧性的影响。     

铝合金材料剪切断裂实验分析

金属材料受载作用发生断裂，断裂面形式有拉断，剪断和拉剪混合型，由于剪断过程中塑性变形较为复杂，问题的研究难度大，观点争论多，本文对LY12－M铝合金材料复合型平面应变载荷状态下的几种断裂试验结果作了分析，认为在II型，近II型时发生的剪切型断裂，启裂点在裂尖附近应力三维度取最大值处，剪断的开裂方向则与启裂点上最大剪应力方向有关，同时对LC9R超强铝合金作常规破坏试验，该材料在拉伸，扭转与压缩试验时均呈剪切断裂，断裂面沿最大剪应力方位，破坏剪应力随试件应力三维度的降低而增大，综合分析试验结果得到了一些有用的结论。     

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．     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝断裂角的分层剪滞模型与分析

采用修正的剪滞理论建立了岩石、混凝土等准脆性材料的Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝在单向拉伸荷载作用下的计算模型.得到了与实验相吻合且优于传统S判据的断裂角.通过对远场应力、斜裂缝区应力以及子层位秽的合理简化,得到了求解剪滞分析模型的边界条件,进而得到了含斜裂缝的各子层位移分布函数.引入最大应力集中因子,对Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝前缘应力场进行简化;基于斜裂缝沿最大应力集中因子方向扩展,得到裂缝的断裂角.根据斜裂缝的应力分布,设置不同的子层分区,得到了更为细化的位移分布模式.通过对计算数据的分析,针对单向拉伸荷载作用下的Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝,建立了按应力场分区设置子层的分层剪滞模型,得到更为精确的斜裂缝断裂角.     

正交异性板复合型裂纹相对周向应力断裂准则

采用相对周向应力为断裂参数，提出正交异性板任意方向的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的最大相对向应力断裂,准则，应用本准则确定开裂方向角时，能较合理地考虑材料特性的影响。     

U形切口的有限断裂准则

有限断裂力学准则综合了应力和能量参数,假设裂纹或切口端部有限裂纹长度的增长．特别地,该有限裂纹的长度不是材料的基本常数,而是与构件的结构有关．基于U形切口两种形式：点方式和线方式有限断裂准则,对文献中的铝合金U形切口三点弯曲断裂实验进行了分析验证．一方面基于材料的断裂韧度和抗拉强度,预测切口件断裂载荷;另一方面根据几组不同的切口根部半径及其对应的临界切口应力强度因子,同时估算材料的断裂参数：断裂韧度和抗拉强度．将点方式和线方式两种不同形式有限断裂准则的预测结果,与平均周向应力准则、最大周向应力准则以及文献中相关结果进行了比较得出：无论是预测断裂载荷还是估算材料断裂参数,线方式有限断裂准则,与文献中相关结果比较吻合,尤其是估算的断裂韧度精度较高．     

混凝土断裂能

本文从能量的观点分析了混凝土Ⅰ型和Ⅱ型断裂能表达式,探讨了梁自重对Ⅰ型断裂能的影响;介绍了Ⅰ型断裂能的测试方法,给出了拉应变软化曲线.