基于内聚力模型的白点萌生机理研究

基于内聚力理论、氢压理论和应力作用下氢富集理论,在以往孔洞锻合研究的基础上,建立了白点萌生扩展的有限元分析模型。研究了初始氢浓度、裂纹长度以及多裂纹耦合作用等多种因素对白点萌生的影响,确定了不同条件下白点萌生的临界氢浓度及其变化趋势。结果表明,氢对白点萌生具有重要的影响,在白点萌生过程中,高浓度的氢聚集在裂纹端部,极大地降低了钢的内聚力强度;对于单裂纹,随着裂纹长度的增加,白点萌生的临界氢浓度逐渐减小并趋于稳定值;当多个密集小裂纹同时存在时,裂纹间的耦合效应会导致小裂纹有贯穿形成大裂纹的趋势,而远端裂纹的耦合效应则相对较小;对于多裂纹,白点萌生临界氢浓度具有随裂纹个数的增加而线性递减的趋势。     

柱状电极屈曲或裂纹扩展的临界力学参数研究

柱形结构电极是近年来使用最为广泛的锂电池电极结构之一．本文以硅材料细长柱形电极为例，研究了充电电流大小、电极长径比、初始裂纹长度以及断裂韧性对于电极的屈曲现象和裂纹扩展现象发生时间的影响．计算结果表明，屈曲与裂纹扩展现象出现的先后顺序与充电电流大小无关；具有小的长径比，大的初始裂纹长度以及较小断裂韧性的电极，裂纹扩展比屈曲现象更早发生．对于硅材料，不同长径比的电极具有不同临界断裂韧性值，当材料的断裂韧性小于该临界值，在锂化过程中裂纹扩展会先于屈曲现象发生；该临界断裂韧性值随初始裂纹长度的增加而增加．本文的结论对于电极的结构设计以及材料选取具有一定指导意义．     

电可通纳米尺度孔边均布多裂纹的电弹断裂分析

解析研究了面内电载荷和反平面机械载荷作用下压电体中纳米尺度圆孔边均布电可通多裂纹问题的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论，利用保角映射方法和复变弹性理论给出了裂纹尖端电弹场分布、电弹场强度因子及能量释放率的解析结果。阐述了无量纲电弹场强度因子、无量纲能量释放率的尺寸依赖效应，讨论了裂纹数量和缺陷几何参数对无量纲场强度因子和无量纲能量释放率的影响。结果表明：无量纲电弹场强度因子和无量纲能量释放率具有显著的尺寸依赖效应；考虑表面效应，孔径和裂纹长度相当时，电弹场强度因子达到最大；裂纹/孔径比对电弹场强度因子随裂纹数量变化的制约会随着裂纹数量的增加而逐渐消失；过大或过小的裂纹孔径比会削弱裂纹长度对能量释放率的影响。     

一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达；讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时，声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖；裂纹相对尺寸较小时，表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小；纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大；耦合系数一定时，无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响；随着声子场载荷的增大，无量纲能量释放率先减小后增加，最后趋于稳定；无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小，非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。     

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.      

电可通纳米尺度孔边均布多裂纹的电弹断裂分析

解析研究了面内电载荷和反平面机械载荷作用下压电体中纳米尺度圆孔边均布电可通多裂纹问题的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论,利用保角映射方法和复变弹性理论给出了裂纹尖端电弹场分布、电弹场强度因子及能量释放率的解析结果。阐述了无量纲电弹场强度因子、无量纲能量释放率的尺寸依赖效应,讨论了裂纹数量和缺陷几何参数对无量纲场强度因子和无量纲能量释放率的影响。结果表明：无量纲电弹场强度因子和无量纲能量释放率具有显著的尺寸依赖效应;考虑表面效应,孔径和裂纹长度相当时,电弹场强度因子达到最大;裂纹/孔径比对电弹场强度因子随裂纹数量变化的制约会随着裂纹数量的增加而逐渐消失;过大或过小的裂纹孔径比会削弱裂纹长度对能量释放率的影响。     

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．     

含旋转运动效应裂纹梁横向振动特性的研究

针对开口裂纹作用下旋转运动欧拉-伯努力梁的振动特性进行了研究。文中使用裂纹梁连续等效刚度模型模拟裂纹效应,将含裂纹旋转运动梁视为弯曲刚度沿梁长度方向连续变化的梁,并应用传递矩阵法推导了求解其振动特性的特征方程。考虑不同裂纹深度和位置、不同旋转速度,分析了梁的一阶和二阶固有频率的变化情况。研究结果表明:旋转运动效应和裂纹效应并非独立影响梁的固有频率,两者间具有耦合作用效应;转速提升使由裂纹导致的频率衰减幅度变小,同时裂纹加深使得由速度升高带来的阶频提升更加显著;相比于二阶频率,耦合作用效应对于一阶频率更加显著。     

柔性基底上含过渡层纳米薄膜在双向拉伸下断裂损伤的实验研究

含过渡层的柔性基底薄膜的力学性能对现代电子元器件的广泛应用至关重要,对其力学性能的深入研究变得极为迫切。本文针对其在双向拉伸载荷下的断裂损伤进行了实验研究。对125μm聚酰亚胺上沉积的不同薄膜结构进行不同加载比下的双轴拉伸实验,通过光学显微镜观察裂纹演化过程与饱和裂纹形态。根据最小应变能密度因子理论对裂纹演化的开裂角度进行了理论分析,用有限元分析了加载比例和过渡层泊松比对结构各层双向应力比传递的影响,并在不同薄膜结构和加载比下,对裂纹演化应变进行了比较。研究结果表明,在双向拉伸载荷作用下,薄膜裂纹呈现出网状分布,裂纹演化角度与加载比、裂纹初始角度相关;一级裂纹萌生的临界应变随着加载比降低而降低,二级及以上裂纹萌生的临界应变与各级裂纹的饱和应变随加载比降低而升高;在等双轴拉伸下,不同薄膜结构的含过渡层柔性基底薄膜一级裂纹的临界应变基本一致,二级及以上裂纹的临界应变显现明显差异。     

含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展演化规律研究

岩体内部存在大量不同尺寸裂隙，形成不同结构形式的裂隙岩体，裂隙的存在会降低岩体的力学性能，对于岩体工程的整体稳定性具有很大的影响。本研究基于滑动翼裂纹模型对恒定载荷下含单裂隙岩体蠕变变形进行了理论推导和分析，基于MAPLE软件直观给出恒定载荷下裂隙角度、长度对蠕变变形的影响，采用连续-非连续数值分析软件GDEM,对预制单裂隙在不同倾角、不同长度情况下岩体的蠕变破裂裂纹扩展进行数值模拟。通过理论分析和数值模拟可以看出，岩体蠕变速率随着裂隙长度的增大而增大；随着裂隙角度的增加出现先增大后减小的趋势，其中裂隙倾角为30°时蠕变速率最大。含单裂隙岩体蠕变破裂裂纹扩展规律的研究可为岩体工程蠕变破裂规律研究及蠕变治理提供一定的理论依据和参考。     

A quantum-mechanically informed continuum model of hydrogen embrittlement

We present a model of hydrogen embrittlement based upon: (i) a cohesive law dependent on impurity coverage that is calculated from first principles; (ii) a stress-assisted diffusion equation with appropriate boundary conditions accounting for the environment; (iii) a static continuum analysis of crack growth including plasticity; and (iv) the Langmuir relation determining the impurity coverage from its bulk concentration. We consider the effect of the following parameters: yield strength, stress intensity factor, hydrogen concentration in the environment, and temperature. The calculations reproduce the following experimental trends: (i) time to initiation and its dependence on yield strength and stress intensity factor; (ii) finite crack jump at initiation; (iii) intermittent crack growth; (iv) stages I and II of crack growth and their dependence on yield strength; (v) the effect of the environmental impurity concentration on the threshold stress intensity factor; and (vi) the effect of temperature on stage II crack velocity in the low-temperature range. In addition, the theoretically and experimentally observed intermittent cracking may be understood as being due to a time lag in the diffusion of hydrogen towards the cohesive zone, since a buildup of hydrogen is necessary in order for the crack to advance. The predictions of the model are in good quantitative agreement with available measurements, suggesting that hydrogen-induced degradation of cohesion is a likely mechanism for hydrogen-assisted cracking.     

Simulation of local instabilities during crack propagation in the ductile–brittle transition region

The crack propagation for a cohesive zone model within an elastic-plastic material under small-scale yielding conditions is simulated numerically. The resulting crack growth resistance curves show local instabilities, so-called pop-ins even for homogeneous cohesive properties if the cohesive strength lies sufficiently close to the maximum stress of the corresponding blunting solution. The formation of secondary cracks and unloading zones in front of the actual crack tip is identified as the underlying mechanism. It is found that the shape of the cohesive law has a considerable influence on the crack arrest behavior. Furthermore, requirements to the mesh resolution are derived.     

脆性固体中内聚断裂点阵列的扩张行为及间隔影响

建立一个一维模型, 分析脆性材料中多个等间距虚拟断裂点在均匀应变率拉伸作用下的扩张断裂过程. 采用线弹性波动方程组描述材料内部动力学关系, 采用线性内聚力断裂模型(linear cohesive fracture model)描述虚拟断裂点的扩张行为, 根据初始均匀拉伸条件和虚拟裂纹等间距假设给出定解条件, 形成一个初边值问题. 采用Laplace变换方法求解控制方程组, 得到虚拟断裂点扩张过程中内聚应力随时间变化曲线, 以及发生完全断裂的临界时间和单位裂纹体(碎片)的临界膨胀位移. 在此基础上分析应变率和裂纹间距对碎裂发生时间及单元裂纹体临界膨胀位移的影响. 在假设脆性材料在自然碎裂过程中单元裂纹体临界膨胀位移最小的基础上,进一步研究应变率对碎片尺度的影响.      

Investigation on critical triaxiality along unified yield loci at crack tip under mixed mode (I + II) fracture

Metallic components used in industries and day to day appliances often contain micro-cracks. In general, cracks occur in various orientations to the loading axis. The present paper discusses the criticality of stress triaxiality, a well-known ductile fracture parameter, on the yield loci at the crack tip. In the process, an old model of stress triaxiality has been generalized using unified strength theory to incorporate various convex and nonconvex failure criteria, including single shear, twin shear, etc. The new triaxiality model also reveals about the effect of intermediate principal stress at the crack tip for materials with and without strength difference. The crack initiation angles at the crack tip, obtained through the proposed model have been found to be in unison with those obtained through other fracture criteria.     

粘弹性夹心夹层结构卸载后的裂纹持续扩展现象研究

以聚氨酯弹性体钢夹层板为研究对象,对其进行了三点弯曲实验,对不同类型试件的实验结果进行了总结。实验发现,在加载过程中,在弯曲挠度超过一定程度时,夹层板结构的角点位置出现开裂,由于层间强度不足和夹心材料的粘弹性性质,卸载后裂纹会在一段时间内沿层间继续发生扩展,最后导致整个面板发生脱粘或夹心撕裂。针对这一现象,以弹性地基梁理论为基础,计算了上下面板的挠度差异,并使用层间粘结强度来分析试件的临界状态,获得了软夹芯试件和硬夹芯试件的临界破坏的裂纹长度。结果表明,使用层间粘结强度分析方法,获得的结果都能够描述聚氨酯弹性体钢夹层板的层间延迟破坏的特点。     

Prediction of thermal crack spacing

When the thermally induced stress in a shrinking pavement layer reaches the tensile strength of asphalt, regularly spaced thermal cracks form across the width of the pavement. A one-dimensional analytical solution for the stress distribution in a thermally shrinking elastic pavement layer placed on an elastoplastic, cohesive–frictional base is developed and validated by comparison with a 2D numerical solution. From the analytical model, a prediction of a length parameter that provides bounds on the thermal crack spacing is obtained. Predicted bounds on crack spacing are validated by comparison with field observations. It is demonstrated that the proposed formulation can also be applied to estimate the average crack density observed in thin ceramic films subjected to the application of an axial strain; in the latter system, the crack spacing is six decades smaller than that observed in pavement systems.