有限尺寸下双材料界面附近裂纹位置对裂纹尖端的影响

随着复合材料的应用和发展,不同材料组成的界面结构越来越受到人们的重视。界面层两侧材料的性能相异会引起材料界面端奇异性,同时界面和界面附近存在裂纹会引起裂尖处的应力奇异性。因此双材料界面附近的力学分析是比较复杂的。本文建立双材料直角界面模型,在材料界面附近预设初始裂纹,计算了有限材料尺寸对界面应力场及其附近裂纹应力强度因子的影响。运用弹性力学中的 Goursat 公式求得直角界面端在有限尺寸下的应力场以及其应力强度系数。通过叠加原理和格林函数法进一步得到在直角界面端附近的裂纹尖端应力强度因子。计算结果表明,在适当范围内改变材料内裂纹与界面之间的距离,界面附近裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹与界面距离的增加而减少,并且逐渐趋于稳定。分析结果可以为预测双材料结构复合材料界面失效位置提供参考。     

双材料界面断裂力学模型与实验方法

纤维增强聚合物(FRP)质轻、高强, 可提高结构的刚度、强度、抗震性能和耐久性, 近年来在结构加固及工程改造中得到广泛应用. FRP与传统复合材料之间形成双材料黏结界面, 界面断裂特性是决定双材料结构性能的关键因素. 对双材料界面裂纹尖端应力场理论、界面裂纹模型、黏结界面I型、II型及混合型断裂试验及理论研究现状进行综合评述和分析. 界面模型主要有经典梁/板理论和刚性节点模型、考虑剪切变形的双亚层理论和半刚性节点模型、基于双亚层理论的柔性节点模型、考虑剪切变形的多层亚层理论和多亚层柔性节点模型、弹性地基梁模型以及黏聚模型. 还介绍了双材料界面断裂力学在FRP-混凝土研究中的应用.      

光弹法实测正交异性双材料界面裂纹断裂参数

采用光弹贴片法实测正交异性双材料界面裂纹尖端区域的应力应变场, 进而求出界面裂纹的断裂力学参量. 将正交异性双材料板加工成拉伸试件,在聚碳酸酯贴片 的单侧表面镀金属铝膜,以提高贴片的反射效率. 沿贴片后的双材料界面预制裂缝,逐渐加 大载荷,得到一系列清晰的等差线条纹图. 利用正交异性双材料界面裂纹尖端应力分量表达 式计算出应力强度因子. 实验表明,光弹贴片法可有效地分析正交异性双材料界面裂纹问题.     

多亚层柔性节点模型及其在双材料4ENF试件界面分析中的应用

提出了多亚层柔性节点模型用于分析双材料裂纹尖端的应力和变形。该模型考虑了胶层的变形,各亚层视为独立的剪切变形梁,采用两个界面柔度系数考虑界面应力对各亚层界面变形的影响,界面变形包括双材料界面和胶层的变形。通过对FRP-混凝土末端切口四点弯试件(Four-point bending end-notched flexure specimen,简称4ENF)进行界面分析,并与其他模型和有限元分析对比表明:刚性节点模型忽略了裂纹尖端的应力和变形集中,只能粗略地估计构件的整体变形和界面应力;半刚性节点容许裂纹尖端的转动,对裂纹尖端的变形估计优于刚性节点模型,但精度依然不高;多亚层柔性节点模型反映了裂纹尖端的应力和变形集中,与数值分析结果吻合很好,该研究对进行双材料结构的工程设计具有理论指导和参考价值。     

压剪载荷作用下界面裂纹尖端场的研究

建立了弹性-幂律蠕变双材料界面裂纹准静态扩展的力学模型，求得了裂纹尖端应力、应变和位移场分离变量形式的解及其数值结果；讨论了材料性能参数对裂纹尖端场的影响；计算和分析了界面裂纹的摩擦效应，并且得出了给定条件下裂尖场的轮廓图形．     

断裂力学中的裂纹尖端奇异场

断裂力学的本质问题就在于裂纹尖端附近高应变区的存在。裂纹扩展与否,取决于高应变区内的力学状态。所以,尖端附近应力应变状态的研究在断裂力学中起着核心的作用。采用宏观连续介质力学的方法,尖端附近高应变区的力学特性可由奇异应力应变场描述。虽然,由于材料的微观不均匀性和不连续性使得奇异场的描述方法在裂纹尖端(奇异点)充分      

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.      

一种经验型疲劳小裂纹扩展模型

金属材料疲劳寿命由裂纹萌生和裂纹扩展寿命两部分组成，其中对于萌生寿命中的小裂纹分析是精确描述裂纹萌生寿命的关键．而小裂纹在扩展过程中由于尺寸相对较小，导致传统线弹性断裂力学预测方法失效，需要对其进行改进，考虑裂纹尖端塑性区引起的残余压应力对小裂纹扩展速度的影响．本文针对此问题进行了初步分析，通过对塑性区引起的残余应力的量化，结合小裂纹门槛值特性，提出了一种经验型修正的小裂纹扩展模型，用于定量预测裂纹的萌生寿命．使用铝合金6082-T6缺口试样进行了疲劳实验，并与理论结果进行了对比，验证了所提模型的有效性．     

界面断裂力学简介与展望

界面断裂力学是目前国际力学界的前沿研究课题.本文对这门新兴分支学科的发展背景,近期进展及未来展望作了简要介绍.主要分析了各向同性及各向异性弹性材料间的界面裂纹;界面裂纹的力学模型;界面裂纹的弹塑性场及界面裂纹的断裂观念.讨论了界面断裂力学未来热门课题。     

正交异性材料平面裂纹尖端应力场

根据正交各向异性材料力学性能确定出了用应力函数表示的弹性力学基本方程,利用坐标变换和复变函数方法求解了正交异性材料平面裂纹体的应力边值问题。借鉴一般断裂力学解法构造了I型和II型裂纹问题的应力函数,推导出了正交各向异性板裂纹尖端区的奇异应力场。通过数值计算说明了裂纹尖端应力表达式的正确性,验证了裂尖前沿应力变化规律,即σx与材料特征参数h2成正比,而σy和τxy不随材料特性变化。     

界面裂纹萌生与扩展的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法研究了裂纹在界面端处萌生与沿界面扩展的临界条件. 模拟考虑了一双相材料的3种模型，即构成90°/90°和 90°/180°夹角的两个界面端和一个界面裂纹. 模拟采用了包含原子区域与连续区域的并发型多尺度模型，即在界面端尖端和裂纹尖端附近 采用分子动力学(MD)方法，MD区域之外则按照线弹性有限元方法分析. 结果表明，在断裂启动时刻，3个模型沿界面的最大应力均达到界面理想强度；而且，其界 面能恰好足以克服界面材料的本征内聚能. 因此，界面端裂纹萌生与沿界面扩展的断裂条件可以通过界面理想强度和内聚能联系起来. 并基于模拟计算结果提出了界面断裂启动的统一准则.     

双材料界面Ⅰ型扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

双材料界面中存在材料黏性效应, 对界面裂纹尖端场的分布和界面本身性能 的变化起着重要的影响. 考虑裂纹尖端的奇异性, 建立了双材料界面扩展裂纹尖端的弹黏塑 性控制方程. 引入界面裂纹尖端的位移势函数和边界条件, 对刚性-弹黏塑性界面I型界面 裂纹进行了数值分析, 求得了界面裂纹尖端应力应变场, 并讨论了界面裂纹尖端场随各影响 参数的变化规律. 计算结果表明, 黏性效应是研究界面扩展裂纹尖端场时的一个主要因素, 界面裂纹尖端为弹黏塑性场, 其场受材料的黏性系数、马赫数和奇异性指数控制.     

纯弯正交异性双材料界面裂纹尖端应力场

对纯弯曲载荷作用的正交异性双材料界面裂纹尖端应力场进行了解析研究。通过复合材料断裂力学复变函数方法,构造了特殊的挠度函数;将控制方程化为广义重调和方程,基于边界条件得到了两个八元齐次线性方程组,推出了含两个实奇异指数的应力函数及界面裂纹尖端附近的弯矩、扭矩、应力、应变的计算公式。     

界面裂纹尖端的动态奇异特性

本文研究了界面裂纹尖端的动态应力场的奇异特性.引入尖端无摩擦接触的界面裂纹模型并采用具有运动边界的控制积分方程.证明了在动态界面裂纹尖端仅存在平方根奇异的应力场.数值结果表明接触区中的正应力确保持为压应力.为表现界面裂纹的动态特性,给出了应力强度因子和裂纹面接触区尺寸的数值结果.     

第四讲 全息和散斑法在断裂力学中的应用

文中概述了全息干涉和散斑相关法的基本原理,并给出定量计算的基本公式.较详细地介绍利用全息或散斑干涉法在断裂力学中基本参量的测量;裂纹尖端三维变形场的测量;裂纹尖端塑性区的发展;内外表面裂纹应力强度因子的测量;裂纹尖端小区损伤变形测量;界面裂纹变形场以及动态裂纹扩展断裂参数及变场测量的原理,并给出若干实例,     

纤维端部的界面裂纹分析

基于弹性力学空间轴对称问题的通解,研究了短纤维增强复合材料中纤维端部的轴对称币形和柱形界面裂纹尖端的应力奇异性,得到了裂纹尖端附近的奇异应力场．研究结果表明,这两种轴对称界面裂纹尖端的应力奇异性相同,并且与平面应变状态下相应模型的应力奇异性一致,材料性能对裂纹尖端附近奇异应力场的影响可用三个组合参数描述     

THE STRESS FIELD AT MODE I CRACK TIP ON STEEL PIPE UNDER AXIAL TENSION

采用弹性断裂力学Westergaard 的方法,分析在轴向拉伸载荷作用下钢管的Ⅰ型裂纹尖端处的应力场. 基于Ⅰ型裂纹钢管应力场的特征,设定尖端处的应力艾雷函数,给出其应力场模型边界条件和应力场的解析函数,并利用裂纹尖端处的切平面研究裂纹尖端局部应力场,建立了钢管裂纹尖端应力场模型. 通过钢管与平板Ⅰ型裂纹应力场模型的对比,结果表明二者明显不同,钢管裂纹尖端处应力峰值影响范围仅与裂纹长度、拉应力相关.     

刚性-粘弹性材料界面Ⅰ型动态扩展裂纹的尖端场

裂纹尖端渐近场的研究是断裂力学研究的重要课题之一。为了研究粘性效应作用下的界面动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了刚性.粘弹性材料界面Ⅰ型动态扩展裂纹的力学模型;在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1/(n-1)。当n→∞,幂硬化粘弹性材料动态扩展裂纹尖端场与Freund给出的理想塑性材料动态扩展裂纹尖端场具有相近的奇异量级;结合运动和协调方程,推导出粘弹性材料动态扩展裂尖场的控制方程。根据问题的边界条件和连续条件,通过数值计算,得到了裂纹尖端连续的分离变量形式的应力、应变和位移场。数值计算表明,裂纹尖端场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制,这为解决工程实践中所遇到的相应的问题和建立材料的破坏准则提供理论的参考。     

功能梯度材料的黏弹性断裂问题

功能梯度材料(FGM)是一种不同于传统复合材料的新型工程复合材料 [1], 国内外关于FGM的断裂力学方面的研究发展非常迅速. 关于FGM静态裂纹问题,学者们研究了不同类型裂纹尖端场的应力强度因子 [2-5], 探讨了有限长裂纹在不用载荷作用下的传播等问题. 而关于动态裂纹问题,也已经取得很大成就 [6-9]. FGM一个很重要的应用是高温结构材料,在强大的热环境中,很多材料都呈现出黏弹性. 因此,研究FGM的黏弹性断裂力学非常具有实际价值.对此,众多研究 [10-14]提出不同的分析模型,并在不同受载条件,通过理论计算,分析了黏弹性裂纹尖端场的力学 行为.本文考查了功能梯度材料板条中界面裂纹垂直于梯度方向时的黏弹性断裂问题,首先利用有限元法求解线弹性功能梯度材料板条的裂纹尖端场,然后根据黏弹性的对应性原理,求解出黏弹性功能梯度材料板条裂纹问题的应力场强度因子.      

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本文对界面力学若干问题的部分实验成果作一综述,主要集中于以下４个问题;（１）界面层的变形与界面力学模型;（２）异质材料界面端部的应力集中与应力奇异性;（３）界面应力缓释与功能梯度材料;（４）沿界面与垂直界面裂纹的断裂力学问题．并对今后界面力学实验研究的发展前景进行了讨论．