EXPERIMENT STUDY OF I TYPE CRACK BLUNT EXTENSION INDUCED BY WEAK PLANE1)

天然裂缝或层理等弱界面的剪切破坏是体积压裂裂缝网络形成的关键因素。利用数字散斑相关技术,通过三点弯曲构建了I型裂缝经过弱界面时的扩展特性实验,获得了试件表面位移场和应变场的变化规律。实验结果表明：I型裂缝扩展至弱界面层后,裂缝发生短暂停滞扩展,裂缝尖端张开位移迅速增加,I型裂缝尖端钝化,弱界面剪切应变迅速增加,裂缝由I型裂缝转变为I-II复合型裂缝并转向扩展。     

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.     

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。     

幂硬化弹塑性-刚性界面Ⅲ型定常扩展裂纹尖端的渐近场

对幂硬化弹塑性材料－刚性材料界面上裂纹以定常方式扩展的Ⅲ型问题进行弹塑性渐近分析，给出裂纹尖端的应力，应变和位移场解。通过数值计算，考察了不同Mach数以及裂纹尖端混合参数对场解的构造以及应力，应变分布的影响，为给出合理的断裂准则提供理论依据。     

可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了可压缩粘弹性材料II型动态扩展裂纹的力学模型,推导了可压缩材料Ⅱ型动态扩展裂纹的本构方程.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r-1/(n-1).通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变和位移的数值结果,给出了应力、应变和位移随各种参数的变化曲线.数值计算表明,弹性变形部分的可压缩性对Ⅱ型裂尖应力场影响甚微,而对应变场和位移场影响较大.裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制.当泊松比ν =0.5时,可以退化为不可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹.     

基于数字散斑相关方法测定Ⅰ型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字散斑相关方法测定金属材料Ⅰ型裂纹尖端位置和应力强度因子的实验方法.实验采用疲劳试验机对含Ⅰ型缺口的Cr12MoV钢试件预制裂纹,通过数字散斑相关方法测试试件在三点弯曲加载条件下裂纹的扩展过程及裂尖区域的位移场.将位移场数据代入裂尖位移场方程组,采用牛顿-拉普森方法求解含未知参量的裂尖非线性位移场方程组,计算裂尖位置和应力强度因子.实验结果表明,采用该方法可以准确地测定金属材料Ⅰ型裂纹应力强度因子、裂尖位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究中因不能准确测定裂纹尖端位置,而无法准确计算Ⅰ型裂纹裂尖断裂参数的难题,揭示了金属材料裂纹扩展过程中应力强度因子演化特征.     

蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究黏性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹的 力学模型.首先,依据在稳态蠕变阶段,弹性变形和黏性变形同时在裂纹尖端场中占主导地 位,由量级协调可知,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝/ r- 1/(n-1). 其次,通过渐近分析推导出动态扩展裂纹尖端场的控制方程并求得了裂纹尖端应 力、应变和位移分离变量形式的渐近解.最后,采用双参数打靶法求得了裂纹尖端应力、应 变的数值结果.数值计算表明,裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制;在Ⅰ 型动态扩展裂纹前方,环向应变达到最大值,可据此建立断裂准则. 由于裂纹稳定扩展与非稳定扩展的主奇异项相同,因此对于稳定扩展裂纹的渐近分析方 法,同样适用于非稳定的裂纹扩展问题.     

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．     

混合强化材料中Ⅰ型快速扩展裂纹的尖端场

本文采用和提出的混合线性硬化材料的塑性本构关系,对Ⅰ型动态扩展裂纹的尖端场作了渐近分析,考察了裂纹扩展速度和混合硬化参数β对尖端场的应力应变分布的影响。数值结果表明:当强化较弱时,裂纹的扩展速度对裂纹后方的张开位移率影响很大;随β的减小,裂纹扩展速度对各个量的影响增强。本文的结果对裂纹扩展准则的研究是有意义的。     

蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了蠕变材料Ⅱ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)。通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变的数值结果,数值计算表明,裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制。通过对裂纹尖端场的渐近分析,从应变角度出发,提出了蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹的断裂判据。     

幂硬化可压缩材料Ⅰ型动态裂纹尖端奇异场

研究了平面应变条件下幂硬化可压缩材料中定常扩展的Ⅰ型动态裂纹尖端应力应变奇异场．采用Ｊ２流动理论和场量直角坐标分量，得到了应力应变奇异性不同时的裂纹尖端渐近场，其中场量的角变化规律和理想弹塑性材料的完全相同     

幂硬化可压缩材料Ⅰ型动态裂纹尖端奇异场

研究了平面应变条件下幂硬化可压缩材料中定常扩展的Ⅰ型动态裂纹尖端应力应变奇异场．采用Ｊ２流动理论和场量直角坐标分量，得到了应力应变奇异性不同时的裂纹尖端渐近场，其中场量的角变化规律和理想弹塑性材料的完全相同     

垂直裂缝在砂泥岩层理界面上拐折扩展特性研究

首先以大庆油田薄差油藏的砂泥岩储层力学参数为基础,根据相似原理,制备了砂泥岩相似材料试件。然后通过三点弯曲实验构建了Ⅰ型裂缝扩展,并采用数字散斑相关方法,获得了裂缝扩展过程中试件表面散斑场的变化规律。由此给出了界面位置处裂尖的应力奇异性阶数及应力强度因子,了解了材料强度差异对裂缝在界面扩展特性的影响。分析表明,当垂直裂缝从高强度材料一侧扩展时,界面的应力奇异性阶数大,界面的应力集中效应高,KⅡ/KⅠ比值小,裂缝拐折程度小,反之亦然。     

基于数字图像相关方法的鲁灰花岗岩断裂特性研究

采用单边直裂纹三点弯曲梁(SC3PB)对鲁灰花岗岩I型裂纹的断裂特性进行了实验研究,得到其断裂韧度为0.9~1.4MN/m1.5。基于数字图像相关方法(DIC)分析了峰值载荷前试件断裂位移场及应变场的演化过程,根据位移场的不连续性给出过程区的扩展轨迹,由应变场得到了高应变区域的变化规律。当局部水平位移梯度发生剧烈变化时,鲁灰花岗岩I型断裂进入过程区;且以水平方向应变达到0.11%~0.20%时作为进入过程区的门槛值;并进一步给出了过程区尖端沿竖直方向的扩展速率与过程区长度呈三次多项式递增关系。     

幂硬化粘塑性材料动态扩展裂纹尖端场的渐近解

采用弹性－粘塑性本构模型，对幂硬化粘塑性介质中反平面剪切动态扩展裂纹尖端的应力，应变场进行了渐近分析，给出了反平面剪切动态扩展纹尖端场的渐进方程。分析结果表明，在裂纹法端应力具有（ｌｎＲ／ｒ）１／ｎ－１的奇异性，应变具有（ｌｎＲ／Ｒｎ／ｎ－１的奇异性。从而提示了幂硬化粘塑材料反平面剪动态扩展裂纹尖端场的渐近行为。     

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。     

双拉试样裂纹扩展过程中的应力强度因子计算

论文将使用一种界面单元来解决二维裂纹的静态扩展问题.这种界面单元基于虚拟裂纹闭合法,利用商业有限元软件ABAQUS的用户自定义单元UEL功能,发展为界面断裂单元,计算应变能释放率(GⅠ和GⅡ).在裂纹尖端的两个节点间设置一个特殊刚度的弹簧,并引入哑节点计算裂纹尖端后面的张开位移和裂纹尖端前面的虚拟裂纹扩展量.采用这种单元计算应变能释放率时不需要使用奇异单元或折叠单元,不会出现收敛问题,也不需要复杂的后续处理.因此,采用这种断裂单元分析二维裂纹扩展问题是方便的、高效率的,而且也能得到可靠的精度.     

陶瓷材料相变增韧尺寸效应的力学分析

利用计及相剪切效应的陶瓷材料本构关系和裂尖场的双参数表达式对平面应变Ⅰ型裂纹定常扩展过程进行渐近分布。基于渐近场和能量积分，得到韧性增值的估算公式，并且根据数值结果和实验现象进一步讨论相变剪切塑性和应力非奇异顶的影响。     

压-剪混合型定常扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

假定黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比，考虑其黏性和裂纹面摩擦接触效应 建立了压-剪混合型定常扩展裂纹尖端弹黏塑性场的渐近方程，求得了裂纹尖端场不含应力、应变间 断的数值解. 并讨论了压-剪混合型裂纹数值解随各个参数的变化规律，计算结果 和分析表明，压-剪混合型裂纹尖端场是满塑性的，不含有弹性卸载区，黏性效应是研究扩展裂纹尖端场时的一个重要因素. 无论混合裂纹趋近I型还是趋近II型，静水压力随摩擦系数的增加都是增加的,裂纹面摩擦 效应是阻止裂纹扩展速度的因素，且摩擦作用越强，裂纹尖端场的韧性越高.     

应用云纹干涉法测量力电耦合作用下铁电陶瓷的破坏行为

本文采用云纹干涉系统对的电陶瓷在力电耦合载荷作用下裂纹尖端的力学行为进行全场实时非接触动态细观测量,采用三点弯实验获取裂纹尖端区域在力电耦合作用下与电场集中有关的电致伸缩位移场,应变场,通过分析实验取得的云纹图得到了裂尖区域的位移场,应变场,发现裂尖区域就变随着与裂尖距离的增加衰减的速率比没有电场作用下的理论计算结果要快。