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。     

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．     

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。     

CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性数值计算研究

采用CTS试样研究Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用.文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切(CTS)试样在Ⅰ/Ⅱ平面混合型加载下的裂纹扩展行为.采用ANSYS建立CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样-销-扇型夹具以及扇型夹具-销-U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析.通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性.采用最大环向应力准则(MTS),模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因.结合文中计算结果,在CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹扩展速率实验测得裂纹长度与寿命的关系曲线a-N的基础上,便可得到材料Ⅰ/Ⅱ型混合型裂纹扩展速率曲线.     

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。     

层状非均匀材料边裂纹引起的J积分变化量分析

均匀材料无裂纹时沿封闭路径的J积分为零,层状非均匀材料无裂纹时沿封闭路径的J积分通常不为零且与路径相关。在位移载荷保持不变条件下引入裂纹会使J积分改变,本文分析引入裂纹所导致的远场J积分变化量,即有裂纹时与无裂纹时沿同一远场路径的J积分之差,其值等于裂尖J积分与界面J积分变化量之和。对于层状非均匀材料,虽然无裂纹时和有裂纹时的远场J积分、界面J积分都与路径相关,但当积分路径远离裂尖后,有裂纹与无裂纹时的远场J积分之差、界面J积分之差与路径无关,引入裂纹所引起的远场J积分变化量等于边界应变能密度释放量沿边界的积分。对于均匀材料半无限大平面的边裂纹,裂纹能量释放率等于无裂纹时应变能密度与8倍裂纹长度的乘积;对于层状材料的边裂纹,裂纹能量释放率等于应变能密度释放量沿边界的积分减去界面J积分变化量。     

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.     

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.      

RESEARCH PROGRESS OF FRACTURE TOUGHNESS TEST METHOD FOR LOW CONSTRAINT SPECIMENS 1)

低约束试件断裂韧性测试对油气管道安全运营具有重要意义。本文回顾了低约束试件断裂韧性测试方法及发展过程,介绍了裂纹尖端张开位 移(crack tip opening displacement, CTOD)和J积分等常用断裂韧性表征参数,并对断裂韧性测试中应力强度因子、J积分塑性因子、J积分与CTOD转换因子、裂纹尺寸测量方法、数 字图像相关方法等关键问题进行对比分析,总结需要深入研究的问题,为低约束试件断裂韧性测试发展提供一定依据。     

静止裂纹尖端实验的HRR奇异场

用近代光学试验方法(面内云纹和投影云纹),测量了不同应变硬化指数材料(n=3.350～9.180)、平面应力Ⅰ型双边裂纹试件、裂纹尖端附近位移场和应变场。由试验结果分析了裂纹尖端位移奇异性,得到J主导区和围绕裂纹尖端附近HRR场分布。分析了HRR分布随载荷、材料不同的变化规律。     

材料的微结构损伤与韧性断裂

Ⅰ.前言50年代起至60年代,国际上开展了材料宏观力学性能的大量研究,提出了应力强度因子K和J积分,确定了断裂韧性参数的测定方法,创立了断裂力学学科并制定了规范,对材料的断裂、疲劳性能的预测和安全设计做出了很大贡献。进入70年代后开始注意到现有技术远远不能认识和控制各类裂纹的起因和发展。例如,K和J不能解决裂纹的稳态扩展、复      

某船用钢动态弹塑性断裂韧性的试验测试

描述了利用Hopkinson压杆技术加载三点弯曲试样测试材料动态弹塑性断裂韧性的试验方法。材料的动态应力－应变行为测试在SHPB装置上进行，试样上的动态载荷历史由Hopkinson压杆直接测得，在此基础上，利用自行编制的ANSYS宏程序计算得到J积分历史；与起裂时间相对应的J积分值，即为动态弹塑性断裂韧性。采用上述方法进行了某船用钢的动态断裂试验，首次获得了该钢的动态弹塑性断裂韧性值，为舰船的抗爆能力计算，防动态断裂设计和安全评定提供了基础数据。     

半无限板边缘裂纹的权函数解法与评价

权函数法是求解裂纹体在任意受载条件下的应力强度因子和裂纹面位移等断裂力学参量的高效、高精度方法,与有限元等数值方法相比,在求解效率和可靠性方面均具有明显优势.针对半无限板边缘裂纹,系统分析了在国际断裂力学界较有代表性的Wu-Carlsson、Glinka-Shen和Fett-Munz三种解析形式的权函数法,进而以在远端均匀加载下的半无限板边缘裂纹面位移Wigglesworth解析解导得的权函数及其对应的格林函数解(即裂纹面受一对单位集中力作用下的应力强度因子)为基准,沿整个裂纹长度对3种权函数的精度逐点进行比较,并与文献中基于其他方法求得的权函数做了广泛对比,包括Bueckner,Hartranft-Sih以及Wigglesworth利用不同解析方法推导出的高精度的权函数.研究了3种参考载荷(均布/正反向线性分布应力、集中力)及其不同组合,以及裂纹嘴位移的几何条件对权函数精度的影响.结果表明,基于一种参考载荷下的裂纹面张开位移比基于两种参考载荷下的应力强度因子所得到的权函数具有更高的精度,而且后一种方法的精度明显受到所选参考载荷组合的影响;裂纹面位移在裂纹嘴处三阶导数等于零的条件对基于一个参考解的权函数精度的改进效果较小.最后给出了利用各种权函数方法计算得到的4种载荷条件下的应力强度因子,并对结果进行了比较.     

数字图像相关测试技术在霍普金森杆加载实验中的应用

本文利用三维数字图像相关(3D-DIC)测试技术,在Hopkinson bar加载条件下测试铝合金动态拉伸力学性能以及TC4合金Ⅱ型裂纹的起裂时间和冲击载荷下的失稳扩展速度。两台高速相机保证了被测物体的三维成像,校准板技术使得所测试的应变-时间历程定量化。利用数据处理软件能够得到关注区内每一点的位移-时间历程、应变-时间历程及主应变等。同时,针对TC4材料的动态断裂过程,三维数字图像相关技术能够实时地记录预制疲劳裂纹的张开、裂纹尖端起裂、裂纹分叉扩展、失稳传播等各个阶段,为动态断裂韧性的确定提供了有力工具。