力电耦合载荷作用下铁电陶瓷破坏行为的云纹干涉方法研究

本文介绍了如何用云纹干涉法实时地观察铁电陶瓷在力载荷和电载荷共同作用下裂尖的破坏行为．测量了三点弯试验中由电场和应力集中导致的裂尖的变形场．对变形的云纹图分析表明：当极化方向与裂纹扩展方向一致，且都与电场方向垂直，裂尖附近的正应变随电场的增加而增加，应变集中现象比较突出，电场促进和加速了裂纹的扩展．     

压应力场中爆生裂纹分布与扩展特征实验分析

采用动静组合加载实验装置和数字激光焦散线实验系统,进行了0、3、6、9 MPa等4种压应力场中PMMA试件的爆破致裂实验,分析了沿静态主应力方向扩展的裂纹运动学和力学行为。实验结果表明:首先,静态竖向载荷在预制炮孔周围产生应力集中,在炮孔壁上下端部处出现最大拉应力;随后,在动态爆炸载荷的叠加作用下,裂纹优先在炮孔壁上最大拉应力位置处起裂,并沿最大主应力方向扩展;裂纹扩展过程中,静态竖向载荷越大,裂纹扩展速度越大,且裂纹尖端应力强度因子值越大。     

不同韧性金属扩展裂纹尖端Gao—Hwang奇异场的实验研究

用云纹法和光学空间滤波技术,测量了六种不同应变硬化指数(n)的铝和铜金属材料双边裂纹,单向拉伸试件的扩展裂纹尖端三维位移场.利用试验得到的位移场,分析了位移奇异性,并与G-H 理论解进行了比较.由试验的位移场数据确定了理论解中两个待定常数A 和ε_■,给出了Ⅰ型、平面应力、幂硬化材料,扩展裂纹尖端奇异场的比较形式.在理论与试验位移场相差±10%的误差范围内,确定了试验的G-H 奇异场主导区范围、形状,并对结果进行了分析.试验表明:扩展裂纹尖端存在[ln(A/r)]~■奇异主导区.在本试验应变硬化指数为n=3.5→14的六种材料范围内,这个主导区形状由蝶形发展到扁圆或圆形.G-H 奇异主导区的尺寸和形状与材料、试件几何尺寸、外载形式有关.在G-H 场内部存在着三维变形区,裂纹尖端断裂过程区在此三维变形区内.随着外载荷不断增加,裂尖三维变形区内将出现典型的韧性损伤现象:首先在晶界或二相夹杂处,出现孔洞,然后孔洞逐渐长大,汇合,导致宏观裂纹扩展.载荷比较低时,在G-H 场外边还将有弹性场存在,随着载荷增加,G-H 场也在向外扩大.     

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,     

用激光散斑法和云纹法测量含裂纹薄板的裂纹张开位移

平面应力的弹塑性断裂理论的研究一直受到广泛重视,正在深入发展,其中很多工作是通过研究裂纹张开位移和裂纹附近的应变场进行的。用光学方法对裂纹张开位移和裂纹周围的变形进行测量具有显著的优越性,不但测量精度高,而且能够把整个裂纹包括裂纹顶端的张开位移都同时测量出来,并得到裂纹周围的位移全场分布。近年来激光散斑法在实验应力分析中发展很快,已被用来测量裂纹张开位移和裂纹周围的应变场,其     

致密砂岩巷道模型试件动态起裂及止裂全过程分析

为了开展在不同冲击载荷作用下巷道围岩内裂纹的起裂、扩展及止裂等问题，以可调速冲击试验机进行动态加载试验，采用致密青砂岩制作裂纹巷道模型试件，并利用裂纹扩展计分别记录了动态起裂、扩展、止裂等时刻，对裂纹扩展速度的变化规律进行分析；随后采用AUTODYN有限差分法软件进行相应的数值模拟，数值模拟得到的裂纹扩展路径与试验结果基本一致。经过两者对比分析可知:随着冲击载荷作用的增加，裂纹平均扩展速度逐渐增大，随后趋于稳定值；预制裂纹的起裂时间随着冲击速度载荷的增加而逐渐降低，并在稳定值上下波动；随着冲击速度载荷的增加，裂纹扩展路径过程中的止裂时段逐渐变短。     

圆孔边缘裂纹扩展过程中裂纹周围的动态塑性应变测量

本文用面内云纹法和影象云纹法结合高速摄影技术,对带孔铝板在突加载荷作用下孔边裂纹扩展过程中裂纹周围的应变场进行分析。用等应变线表达断裂过程中相应时刻的应变场,最大动应变可达0.9。本试验也得到了材料的裂纹扩展速度和撕裂模量。     

疲劳裂纹扩展柔度法测量系统研究

为了寻求高温高压环境介质下的疲劳裂纹扩展的测量方法,本文研制了基于柔度法的疲劳裂纹扩展系统。根据显微镜的标定结果,验证该计算机自动测量系统给出了可信的测量结果。其中,位移由涡流位移传感器测得,载荷由试验机自带的标准传感器测得。计算机实时采集并处理测试信号,给出裂纹扩展速率。文中介绍了该系统的功能及应用前景。作为应用实例,给出了４２ＣｒＶ和ＩＲ３Ｍｏ等钢种的疲劳裂纹扩展速度及门槛值。     

基于内动力的对径压缩岩石拉张破裂演化规律研究

岩石是一种复杂的天然非均匀脆性材料，拉压性能差距较大，拉破坏往往控制着岩石工程整体的稳定性.论文将岩石内部某一点在一定尺度范围内所受内力的差异性定义为内动力，进行了对径压缩岩石拉张破裂裂纹扩展实验.采用高速摄像机捕捉破裂瞬时拉张裂纹扩展过程并用数字散斑软件分析第一主应变演化过程.采用连续-非连续方法模拟对径压缩岩石拉张裂纹扩展过程.从实验结果可以看出：拉张破裂裂纹扩展分为三个阶段：拉张破裂变形累计阶段(宏观无裂纹)、拉张破裂裂纹稳定扩展阶段、拉张破裂裂纹动态张裂阶段.将实验、数值计算结果与解析解进行对比分析，实验与数值计算结果扩展规律基本一致，但是与弹性力学解析解不同.解析解基于均匀性假设，而外载荷及岩石本身是非均匀的.外载荷及岩石本身的非均匀性是裂纹起裂点、扩展路径与解析解不相同的主要原因.综合分析给出拉张破裂裂纹扩展规律：当外载荷作用下内动力超过原子或分子连接力则裂纹扩展，扩展方向与内动力的方向垂直.岩石拉张破裂裂纹扩展演化规律的研究可为岩石工程拉张破坏的预防和控制提供理论依据.     

复合材料铺层拼接层间断裂韧性的试验研究

针对评价复合材料层合板层间断裂韧性的测量,提出了用拉伸试验法测定Ⅱ型层间断裂韧性,设计了内含铺层拼接区的分层破坏试验层合板,制备了拉伸试件.通过拉伸试验测得了拼接区开裂和分层裂纹稳态扩展过程中的载荷与变形规律:层间破坏具有Ⅱ型断裂特征,且裂纹扩展比较稳定.利用测试数据计算出断裂功,并以临界能量释放率表示层合板的Ⅱ型层间断裂韧性,结果表明用铺层拼接件拉伸法进行层间断裂韧性试验是可行的.     

一种基于DIC测量单边缺口拉伸试件CTOD阻力曲线的简便方法

针对测量单边缺口拉伸(SENT)试样的裂纹尖端张口位移(CTOD)阻力曲线时,延性裂纹扩展量的计算过于复杂的问题,提出了一种由数字图像相关技术(DIC)计算的变形场来确定裂纹尖端位置,并快速推算延性裂纹扩展量的方法。该方法首先在缺口和裂纹上下方的弹性区域设置两条平行横线;然后通过两条横线间的位移差构建曲线,曲线变化幅度的临界点即为裂纹端部的位置;根据临界点位置计算裂纹扩展量,最后测量CTOD并构建阻力曲线。将本文方法与另一种通过DIC测量SENT试样CTOD阻力曲线的方法进行对比,结果表明本文方法经过简便的计算后拟合的阻力曲线效果更好。     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看,混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料.单轴准静态加载条件下,应力应变曲线表现出明显的准脆性特征.其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程,研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程.声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息.本文基于声发射技术,结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析,反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向,揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制.结果表明:裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生,之后聚集形成局部损伤区域,并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向);裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量,初始裂纹成核时体积参数较小,峰值载荷时,裂纹运动体积最大达到5.93×10-4 mm3;混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹;拉伸裂纹最多,占裂纹总数约为60%,剪切裂纹最少,约占裂纹总数的10%;拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

一种随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法

裂纹结构中存在大量不确定性因素,如裂纹长度、材料性质、外部载荷等,裂纹扩展路径的不确定性分析对研究随机裂纹结构损伤和断裂的力学特性并预测其性能及可靠性具有重要意义。本文提出了一种适应于混合载荷模式下随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法。该方法考虑了裂纹长度、材料性质和外部载荷等的随机性,并通过蒙特卡洛方法对随机参数空间进行采样。采用比例边界有限元方法计算结构应力强度因子,进而模拟单次裂纹扩展路径。在此基础上,通过概率分析方法获得随机裂纹结构中裂纹扩展路径的统计特性。最后给出了两个数值算例验证了本文方法的有效性。     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。     

Irving公式的修正

针对疲劳载荷造成的不同应力比和频率对船舶与海洋结构中裂纹扩展速率的影响,本文在分析了疲劳裂纹扩展速率几种经验公式的基础上,考虑了不同应力比与不同加载频率的疲劳载荷作用对直线裂纹和弯曲裂纹扩展速率的影响,提出了相应的计算公式;并与经验公式和现有实验数据进行了比较,验证了所提公式的正确性,研究结果可以直接应用于对不同频率、应力比条件下疲劳裂纹扩展速率的预测。结果表明：在同等应力强度因子变化幅值条件下,疲劳裂纹扩展速率随着疲劳载荷应力比和加载频率的增大而增大,在第一阶段增加比较缓慢、在第二和第三阶段增加非常迅速。本文给出的新型Irving公式适用于疲劳载荷作用下线弹性直线、弯曲裂纹扩展的第一、第二、第三阶段,计算结果比原Irving公式的结果更接近实验数据。该新型Irving公式更具有实用性和准确性。     

高低周复合载荷下球墨铸铁的P-da/dN-ΔK曲线

分别在恒幅载荷和高低周复合载荷作用下,对球墨铸铁进行了疲劳裂纹扩展速率的对比试验研究,并对试验结果进行了统计分析,得出了a-N和P-da/dN-ΔK曲线.采用Paris公式拟合P-da/dN-ΔK曲线,得到了恒幅载荷和高低周复合载荷下球墨铸铁的裂纹扩展速率估算公式.     

超声疲劳载荷下球墨铸铁裂纹扩展速率研究

论文采用超声疲劳试验技术测试了发动机曲轴用球墨铸铁的超高周疲劳强度及超声疲劳载荷下的裂纹扩展速率.考虑高频载荷下疲劳裂纹扩展过程中的温升效应,测试了球墨铸铁超声疲劳裂纹扩展过程中的温度变化,研究了超声微幅循环载荷下球墨铸铁的疲劳裂纹萌生与扩展机制.根据超声疲劳试验控制位移的加载特点及超声疲劳试样几何形状特征,数值计算了超声疲劳裂纹扩展应力强度因子,给出了该球墨铸铁超声疲劳裂纹扩展速率曲线.     

CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模. 首先 采用紧凑拉剪试件(CTS)和 Richard研制的复合型载荷加载装置，对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究. 实验选择了两种金属材料试件，分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用，在裂纹尖端具 有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响. 实验结果表明，疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关. 对于同样金属材料的试件，当裂尖处 初始应力场强度相等时，载荷越接近于II型，裂纹增长速率越快. 采用等效应力强度 因子(I型和II型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数，以实验数据为 基础，建立了一个疲劳裂纹扩展模型，用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率. 为验证其有效性，该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中. 实验结果与模拟计算曲线保 持一致，表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命.     

基于神经网络的界面裂纹尖端场分析

通过构造反向传播神经网络，对裂纹尖端的应力场进行模拟，进而实现对裂纹尖端应力场甬数的逼近。得到的网络具有较高的联想、记忆能力和相当的稳定性，并且可以快速、准确地得到带裂纹构件的裂纹尖端应力场，从而确定裂纹尖端的塑性区和分析裂纹的扩展。数值计算给出了LY12-CZ材料裂纹扩展方向的计算结果，与实验结果吻合较好，还给出了两相材料含界面裂纹在复合型载荷作用下的塑性区形状的变化情况，并对两相材料含界面裂纹在复合型载荷作用下裂纹的扩展方向进行了预测。