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.     

非稳态蠕变裂纹断裂力学参量的工程分析方法

推广弹塑性断裂力学的EPRI工程分析方法用于蠕变裂纹分析,建立了弹性-幂律蠕变材料裂纹体在非稳态蠕变条件下的J积分、C积分和载荷线位移的工程估算公式。以受均匀拉伸的平面应变单边裂纹板为例,对若干种典型的时间相关载荷,与有限元解进行了比较,结果表明,工程估算公式具有相当高的精度。     

周边切口短圆柱试件的杆杆型冲击拉伸试验系统的弹塑性有限元分析

基于一维试验原理提出了用带有周边切口的短金属圆柱试件进行平面应变型弹塑性动态断裂韧度的测试方法；对该复杂的动力学系统进行了轴对称的弹塑性有限元分析，并计算了动态围道^J积分；根据对试件功能转换关系的分析和Rice公式的物理意义，提出了用试件两端平功载荷－两端相对位移曲线（P^-△）推广Rice公式计算试件的远场J积分，由此得到的P^-△曲线基本上消除了与裂纹运动无关的质心运动动能的影响。论证了J积分作为裂端的表征参量，且当切口深度比大于70％时，Rice公式有较高的计算精度，为平面应变型弹塑性动态断裂韧度的表征与测试提供了依据。     

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。     

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．     

平面幂律塑性Ⅰ型裂纹尖端应力场全解

在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域,服役结构或部件在长期极端条件下运行,不可避免地会产生裂纹,因此,为研究含裂纹结构的准静态断裂行为,必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点.对于幂律材料裂纹构元,研究平面应变和平面应力条件下Ⅰ型裂纹尖端应力场的解析分布.基于能量密度等效和量纲分析,推导了能量密度中值点代表性体积单元(representative volume element, RVE)的等效应力解析方程,并定义其为应力因子,进而针对有限平面应变和平面应力紧凑拉伸(compact tension, CT)试样和单边裂纹弯曲(single edge bend, SEB)试样,以应力因子作为应力特征量,并构造用于表征裂尖等效应力等值线的蝶翅轮廓式和扇贝轮廓式三角特殊函数,提出描述幂律塑性条件下平面I型裂纹尖端应力场的半解析模型.该半解析模型形式简单,对CT和SEB试样的裂尖应力场的预测结果与有限元分析的结果比较表明,两者之间均密切吻合,模型公式可直接用于预测Ⅰ型裂纹尖端应力分布,方便于断裂安全评价和理论发展.     

表面裂纹蠕变分析的蠕变线弹簧模型方法

鉴于用通常的数值方法分析三维蠕变裂纹问题的困难,提出了一个三维表面裂纹蠕变断裂力学参量分析的蠕变线弹簧模型方法,并在非稳态蠕变条件下的位移、裂纹尖端J积分和C积分的工程估算公式及弹塑性线弹簧模型的基础上,建立了蠕变线弹簧模型方法的有关基本方程．具体分析计算了受均匀拉伸表面裂纹平板的J积分和C积分,并与三维有限元解进行了比较,其结果吻合良好．研究结果为进一步研究三维表面裂纹的蠕变扩展及寿命预报提供了基础．     

弹塑性断裂力学的一个重要进展

本文介绍了弹塑性断裂力学近年来的一个重要进展,即 J-Q 理论.这个理论采用双参数 J与 Q 来表征幂硬化材料中的裂纹,其中 J 表示 J 积分,表征裂纹尖端附近高应力或高应变区的尺度,Q表示应力的三轴度(或约束度),表征应力的幅度.J-Q 理论是现今弹塑性断裂力学单参数 J 理论的重要改进,在理论上与应用上均具有重要意义.     

通过裂纹开口位移(CMOD)对J积分预测的方法研究

讨论推导J积分和裂纹开口位移(CMOD)的关系,提出了一种通过测量裂纹开口位移(CMOD)估算J积分的方法．以三点弯曲试件冲击断裂试验为例,借助试验高速摄影机对断裂过程的记录影像提取的压头下压位移和裂纹开口位移,运用ABAQUS软件做有限元仿真分析对比,较好的说明了J积分与CMOD的存在正比关系．通过公式可以看出在材料和几何形状不变的情况下其正比关系中因子β是固定值,与远场载荷无关．应用因子β有助于用一个简单加载情况估测受力情况复杂的部件裂纹处的J积分．算例表明,因子β对于J积分的估算偏于保守,这一结论在工程实际应用中有着参考价值．     

基于数字散斑相关法的紧凑拉伸试样断裂韧性实验研究

本文采用数字散斑相关方法对2A12T4铝合金紧凑拉伸试样的断裂韧性进行了实验研究。应用数字散斑相关方法计算了实验过程中试样的应变场、应力场以及位移场。针对实验所得的结果以及紧凑拉伸试样的裂纹特征,采用了矩形积分路径。选择沿裂纹方向和垂直裂纹方向的J积分路径,并且推导出各方向上J积分的数值计算公式。根据推导得到的公式选择不同的积分路径进行J积分的计算,得到了断裂韧性J0积分路径的合理选择范围,同时验证了J积分的路径守恒性。然后根据所得的路径选择标准,选择合理的积分路径,计算出2A12T4铝合金断裂韧性J0的值。将所得结果与国标计算的J0值对比,误差为1.22%,说明了此种方法的正确性。从而为数字散斑相关方法在紧凑拉伸试样断裂韧性的测试研究中提供参考。     

准静态条件下金属材料的临界断裂准则研究

本文针对9种金属材料完成了具有不同约束程度的10类试样的延性断裂试验, 获得了发生拉、压、扭和裂尖断裂等破坏形式构型试样的载荷-位移试验关系; 基于圆棒漏斗试样拉伸试验所得直至破坏的载荷-位移曲线, 采用有限元辅助试验(finite-element-analysis aided testing, FAT)方法得到了9种材料直至破坏的全程等效应力-应变曲线, 以此作为材料本构关系通过有限元分析获得了各类试样直至临界破坏的载荷-位移关系模拟. 载荷-位移关系模拟结果与试验结果有较好的一致性, 表明用于解决试样颈缩问题的FAT方法所获得的全程材料本构关系针对各向同性材料具有真实性和普适性. 对应9种材料、10类试样的36 个载荷-位移临界断裂点, 通过有限元分析获得了对应的材料临界断裂应力、应变与临界应力三轴度, 研究表明, 第一主应力在延性变形过程中为主控断裂的主导参量; 通过研究光滑、缺口、裂纹等构型试样的断裂状态, 提出了$-1$至3范围的应力三轴度下由第一主应力主控的统一塑性临界断裂准则.      

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。     

Dual-parameter elastic-plastic fracture criterion of metals and alloys in the plane strain case

In recent years, some investigators discussed the applicability of the HRR theory for engineering materials based on the results of numerical analyses and experimental studies. In the present paper, the finite element method is employed to analyze the crack tip fields of the engineering elastic-plastic material with a variety of geometry configurations of cracked specimens from elastic state to intensely general yielded state in the plane strain case. The results indicate that the HRR theory loses its validity of application for engineering elastic-plastic materials in the plane strain case. The reasons for this are analyzed. A dual-parameter fracture criterion is suggested for this case.     

准脆性材料中强不连续问题的数值方法若干应用及其研究进展

综述了模拟准脆性材料开裂过程的数值计算方法的研究进展和工程应用,比较了表征强不连续问题的显式非连续模型和隐式非连续模型的优缺点.结合混凝土粘结裂纹, 重点讨论了嵌入非连续模型,扩展有限元方法和富集有限元技术等非连续方法的构造特征和本质区别.从各种富集方法的理论完备性考察,以假定发展应变为基础的嵌入非连续方法虽然可以解决混凝土开裂过程中的应力锁死,满足内部边界的静力平衡条件以及反映开裂后的位移不连续问题,但嵌入非连续所采用的富集函数在开裂单元中并不能满足协调条件,使非连续两侧的应变不独立. 其局限性是由于富集自由度在单元的水平上引入,而以单位分解为基础的扩展有限元和富集有限元的富集函数以节点自由度的方式引入,除具有嵌入非连续的优点, 还可以有效消除嵌入非连续引起裂纹两侧应变的相互影响.文中同时指出了网格重构技术,弥散裂纹模型的局限性以及扩展有限元和富集有限元技术在构造方式上的细微差别.对于节点自由度方式引入的富集函数, 其操作困难性在文中也作了说明.      

Equivalent thickness conception for corner cracks

Thickness dependence of the one-parameter-based fracture toughness has been well recognized and widely studied. However, it is still a challenge to predict the fracture of structures with curved cracks from the fracture toughness data obtained from the standard through-the-thickness cracked specimens. The complicated three-dimensional (3D) stress fields near the crack front play a vital role in the fracture strength of materials. Based on a systematical numerical study of the 3D stress fields near the crack tip of quarter elliptic corner cracks and comparison with that of ideal through-the-thickness cracks, an equivalent thickness conception for curved cracks is proposed from the viewpoint of out-of-plane constraint, and a semi-analytical solution for the equivalent thickness of corner cracks is obtained. With the evaluated equivalent thickness, the fracture toughness of corner cracked specimens is predicted efficiently by the plane-strain toughness value of the material obtained from the standard through-the-thickness specimen.     

功能梯度材料板件三维分析的半解析梯度有限元法

将半解析有限元与梯度有限元相结合,形成一种半解析梯度有限元来求解功能梯度材料板件问题。该方法兼有有限元法的适应性强、程序统一,半解析有限元法的节省单元与计算工作量,梯度有限元法的适应构件内部材料性能任意梯度分布等特点,并实现用一维数值计算给出构件三维分析结果。算例分析表明了方法的精度、功能与上述特点,充分揭示了功能梯度材料板件力学响应的三维形态。半解析梯度有限元法可推广应用到其他功能梯度材料面结构的各类分析中。     

A pseudo-elastic material damage model, part II: Application to the scaling of specimen size, material behavior and loading rate

A failure criterion is presented which relates the strain energy density of the material to both yielding and fracture. Cumulative material damage throughout a structural component may be monitored and the relative influence of yielding and stable crack growth assessed. The criterion is demonstrated, using finite element analysis, for center cracked panel specimens differing by material toughness values. From crack growth increment predictions using the uniaxial stress-strain behavior of the material, the criterion predicts the critical value of the strain energy density factor S_c governing crack instability.     

A pseudo-elastic material damage model,part I: Strain energy density criterion

A failure criterion is presented which relates the strain energy density of the material to both yielding and fracture. Cumulative material damage throughout a structural component may be monitored and the relative influence of yielding and stable crack growth assessed. The criterion is demonstrated, using finite element analysis, for center cracked panel specimens differing by material toughness values. From crack growth increment predictions using the uniaxial stress-strain behavior of the material, the criterion predicts the critical value of the strain energy density factor S_c governing crack instability.     

金属试件变形断裂过程的计算模拟分析——组合功密度模型的应用

本文作者已建立了一个既适用于裂纹体亦适用于无裂纹体的统一损伤断裂模型——组合功密度模型。在本文中,作者应用该模型并结合大应变弹塑性有限元方法对40Cr制的圆棒光滑拉伸试件、圆棒切口拉伸试件和三点弯曲裂纹试件的变形和断裂过程进行了计算模拟。模拟结果很好地再现了两种圆棒拉伸试件的实验过程;而对于三点弯曲试件,模拟得到的载荷——加载位移关系曲线、裂纹扩展量——加载位移关系曲线、J_R阻力曲线和断裂韧性J_(IC)值等均与实测结果相当吻合。证实了该模型既能用于模拟预测无裂纹体中的裂纹萌生和扩展,也能模拟预测裂纹体中的裂纹起裂和稳定扩展过程。