基于剪切修正GTN模型的金属弹性退化机理研究

许多金属材料在进行显微或宏观压入测试时,测得的弹性模量会随着压入深度的增大而不断降低.考虑到在压痕测试过程中金属材料并不产生明显的裂纹,这种性能退化应是由材料的损伤引起.然而,经典损伤理论认为以受压和受剪为主的压入变形不会引起材料软化和损伤.本文结合剪切变形下材料损伤的萌生和演化机理,对经典的GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型进行了修正,对压入测试进行了有限元模拟.模拟结果显示,材料在压入过程中的损伤是由现有空洞的扭曲变形和次级空洞的萌生共同引起,如果只考虑现有空洞变形则会低估材料在压入变形过程中的损伤演变.     

金属材料疲劳裂纹扩展机制及模型的研究进展

裂纹的萌生、扩展和断裂行为及其与材料本身和外部因素的关联一直是工程与科学领域的重要研究课题.论文总结了影响金属材料疲劳裂纹扩展的多种因素,综述了高周疲劳裂纹扩展的唯象模型和理论模型,以及低周和超高周疲劳裂纹扩展模型的最新进展(包括基于能量的和考虑概率的).综合前述模型优缺点,提出了一种基于单轴拉伸性能的新型疲劳裂纹扩展模型(iLAPS).分析表明,新模型iLAPS与多种常用材料的疲劳裂纹扩展试验数据吻合较好,并且能够准确地给出不同应力比下的裂纹扩展速率曲线.最后,对先进材料抗疲劳开裂性能的高通量表征及运维技术进行了展望.     

含裂纹结构可靠度的多尺度求解

针对环境作用下金属结构从微观损伤到宏观失效的复杂过程,选用具有局部细化特征的CAS小波,先对疲劳裂纹扩展方程进行离散处理,将微分方程转化为代数方程组,然后用完全积分可靠性分析模型,对一般环境中和引入环境系数的含裂纹结构的可靠度进行求解.最后,验证了利用CAS小波多尺度方法求解复杂环境中结构疲劳破坏过程是可行的,并能很好地解决短裂纹与长裂纹扩展的光滑过渡.     

应变率对含裂隙红砂岩裂纹扩展模式及破碎特征的影响

以含不同倾角预制裂纹的长方形板状红砂岩为研究对象,采用分离式霍普金森压杆沿试样宽度方向施加冲击荷载,使用高速摄像机记录裂纹扩展过程,获得试样的裂纹路径特征以及动态压缩强度和动态弹性模量,利用筛分统计法分析试样碎块分布特征,结合分形理论定量描述试样破碎程度及特点,探讨中应变率条件下含裂隙试样裂纹扩展模式与动态力学性质和破碎程度的相互关系。研究结果表明,应变率较高时试样会更多地出现远场裂纹和离层裂纹,并且相比相关低应变率实验结果,中应变率范围内试样破坏模式及裂纹分布情况随应变率的变化规律是不同的。随着应变率的提高,试样大体上从1条拉伸裂纹的临界破坏演变成X形剪切裂纹为主的复杂裂隙网络,并且不同角度预制裂隙对于这种裂纹扩展模式的演变有重要影响。在预制裂纹倾角一定的情况下,岩样动态压缩强度和动态弹性模量表现出明显的应变率效应,不同角度预制裂纹对于试样的应变率敏感性有显著影响。随裂纹倾角的增大,试样的动态强度、动态弹性模量和分形维数表现出的变化趋势具有一定的相似性,大体呈现先减小后增大的趋势,裂纹倾角为45°的试样的动态压缩强度、动态弹性模量和分形维数均为最小。随应变率的升高,不同预制裂纹倾角的试样碎块分布更加分散,应变率越高,预制裂纹倾角对于岩石冲击破碎程度、分形维数的影响越显著。

     

一维六方准晶压电材料反平面Ⅲ型裂纹电塑性分析

论文基于一维六方准晶压电材料反平面问题的基本方程,对Ⅲ型裂纹的电塑性区进行分析.采用条带模型并假设在电塑性区的切应力保持为常数,得到了电塑性区大小的表达式.这种假设方式消除了电场和应力在裂纹尖端的奇异性,这与实际情况相符合,也为一维六方准晶压电材料的断裂分析提供了理论基础.     

对圆盘、圆环和圆孔研究与应用的感悟

Hertze, Michell 和Timoshenko 等力学大师得到圆盘和圆环的弹性力学解; 巴西、日本、英国和美国的先驱学者先后提出基于圆盘和圆环这两种构形的试样测试岩石、混凝土等脆性材料的拉伸强度的方法. 作者在这些大师和先驱者工作的基础上, 提出平台巴西圆盘(flattened Brazilliandisc, FBD), 中心圆孔平台巴西圆盘(holed cracked flattened Brazilian disc, HCFBD) 和压缩单裂纹圆孔板(singlecrack drilled compression, SCDC) 等试样和相应的测试方法, 对国际岩石力学学会(International Society for RockMechanics, ISRM) 建议的测试拉伸强度和断裂韧度的方法做出了改进, 尤其重要的是扩展到动态力学性能的测试, 包括动态起裂, 动态裂纹扩展和止裂. 这些研究工作得益于作者讲授《弹性力学》和《断裂力学》两门基础课以及指导研究生, 说明教学与科研是相辅相成的.     

基于Visco-SCRAM模型的侵彻装药点火研究

针对弹体侵彻过程中装药的安全性,基于黏弹性统计裂纹力学(visco-statistical crack mechanics, Visco-SCRAM)模型计算装药整体温升、装药裂纹摩擦生热以及弹体装药与壳体摩擦生热,考察这3种机制对装药温升的贡献以及侵彻装药的点火机制,得到了装药点火对应的弹体侵彻临界初始速度。结果表明：(1)装药与弹体内壁摩擦生热对装药温升有一定贡献,随着弹体初始撞击速度的提高,摩擦生热对温升的贡献逐渐增大;(2)黏性、损伤和绝热体积变化导致的装药整体温升对装药点火的作用有限; (3)裂纹摩擦形成热点是侵彻装药点火的物理机制;(4)采用Visco-SCRAM模型可预测低强度、长脉冲载荷作用下的装药点火响应。

     

电磁发射器轨道磁锯效应的数值模拟

电磁轨道发射器轨道表面裂纹引起的磁锯现象严重制约着发射器的使用寿命。为了更好地分析这种现象,建立了二维情况下的磁扩散方程和热传导方程。结合有限元软件COMSOL Multiphysics中的固体力学模块,对轨道表面裂纹处的电磁、热和力学行为进行了仿真分析。求解过程考虑了材料参数随温度的变化。结果表明,电流在裂纹处绕行,引起尖端局部电流密度过大是导致磁锯效应的重要原因。加载电流峰值为0.8 MA时,裂纹尖端处最大电流密度可达1010 A/m2量级。此外,对裂纹形状的分析表明,裂纹尖端张角越小,电流的聚集现象越严重,产生的温升也越大。     

低约束试件断裂韧性测试方法研究进展 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。