聚碳酸酯板裂纹顶端的弹塑性研究

本文研究了聚碳酸酯板的延性断裂特征;提出了修正的强化Dugdale条带屈服模型,并用实验-数值计算混合法确定了强化弹塑性材料裂纹顶端附近的应力场参数.实验测定结果与理论等色线,计算的裂纹前沿塑性区长度相符合.由此,验证了所提出的修正强化Dugdale条带屈服模型的合理性.     

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。     

裂纹快速扩展的瞬态振动特性和响应计算模型

本文研究裂纹快速扩展的动力特性,特别是裂纹扩展速度的规律.主要考虑在裂纹扩展量不很大的情况(如冲击载荷下裂纹快速扩展的情况)下,将裂纹快速扩展-止裂过程作为一种瞬态振动问题求解,而通过能量相当(等效)的原则与断裂力学基本概念(断裂准则等)相联系.计算模型的主要假设是:在裂纹快速扩展过程中,断裂能的消耗用等效的阻尼能来表达.经过近似处理,最后归结为求解有阻尼的单自由度非线性系统在初位移下的瞬态响应计算问题.以DCB试件为例说明计算程序,并给出实例计算结果与实验结果和其他工作的比较.用涡流检测法记录裂纹快速扩展的全过程,以提供实验数据。计算结果与各种实验结果符合较好,初步证明所用的计算模型的有效性,可以作进一步的推广研究以及用于更复杂的问题.     

钨合金三点弯曲破坏的细观数值模拟

运用有限元方法模拟了钨合金材料的三点弯曲实验;采用单胞单元计算模型,分析了断口形貌与材料力学性能之间的关系;建立了宏观断裂形式与微观结构参数之间的关联.结果表明:裂纹主要产生在 W-W 界面、W-M 界面,且在基体中向前发展,钨合金材料的破坏可归结为延性材料的破坏;裂纹的尖端始终处于应力集中的状态,随着裂纹的扩展,拉应力集中不断释放,并且转移到新的裂纹尖端;裂纹尖端的单元为拉伸破坏,拉应力是导致裂纹扩展的主要因素.     

不均匀裂纹体疲劳裂纹扩展的实验研究和分析

本文提出了裂纹在硬区的软对硬不均匀裂纹体的力学分析模型.疲劳实验研究表明,这种不均匀性影响疲劳裂纹扩展速率.文中的疲劳载荷下不均匀裂纹体的边界元数值计算结果表明,随着疲劳裂纹的扩展,在相同扩展步下,裂纹距软硬区界面越近,裂纹张开位移的幅值△COD 越小,J 积分幅值△J 亦越小.不均匀性对疲劳裂纹扩展速率的影响,主要通过影响△J 来实现.裂纹与软硬区界面的距离越近,疲劳裂纹扩展速率越小.     

基于反向传播神经网络的疲劳裂纹扩展分析

材料发生疲劳断裂时往往会引起重大安全事故,而基于传统数值模拟方法求解疲劳裂纹扩展问题时模型复杂、计算量大.本文基于包含多隐层的反向传播神经网络分析金属材料疲劳裂纹扩展行为,计算了裂纹扩展过程中的yon Mises应力场和位移场,并与数值解和实验解进行对比,误差分析结果表明其求解精度高.并基于该神经网络有效预测了裂纹扩展...     

皮质骨断裂力学行为的实验研究

采用稳态裂纹扩展和疲劳裂纹扩展的实验, 研究了牛皮质骨横向和纵向裂纹扩展的断裂力学行为. 沿着两个方向制备了紧凑拉伸(CT)试件. 由于试件尺寸的限制,采用数值计算方法确定了裂纹尖端应力强度因子与裂纹长度的关系. 在实验中, 采用数字图像相关法精确测定裂纹尖端的位置. 由于裂纹沿横向扩展时有较大的偏斜, 将采用$J$积分测量其断裂韧性. 实验结果表明, 在裂纹扩展的一定范围内, 皮质骨的断裂韧度随着裂纹不断扩展而增大, 即表现出上升的阻力曲线(R-curve)性质.而皮质骨的横向裂纹扩展的断裂韧度要远远大于纵向裂纹扩展的断裂韧度, 表现出各向异性的阻力曲线行为. 在疲劳裂纹扩展中, 纵向疲劳裂纹扩展率要大于横向疲劳裂纹扩展率, 这说明皮质骨具有各向异性的疲劳裂纹扩展性质.      

整个应力场对裂纹失稳扩展轨迹的影响

本文通过对凸形板试件对称边裂纹失稳扩展轨迹的实验研究和有限元计算，证实了裂纹失稳扩展轨迹是由失稳扩展前一瞬间的整个应力场决定的。研究表明：周向主应力判据比最大周向拉应力判据能更高精度地预测失稳裂纹的扩展轨迹。以上结论与薛昌明等人的相吻合。     

疲劳裂纹扩展的随机模型

本文从J.L.Bogdanoff提出的一种新的疲劳裂纹扩展模型出发，假定在裂纹扩展过程中存在不同的等概率均匀扩展区间，采用Z变换和其复数反演理论，推导出疲劳裂纹经任意次载荷循环后的失效概率计算的解析公式，计算结果与实验值符合较好、偏保守。     

卸载测量⊿K_(th)附近的da/dN中的几个问题

本文使用具有6μm裂纹长度分辩率并具有较高精度及稳定性的交流电位裂纹监测系统研究了降K法测疲劳裂纹门坎值和门坎附近裂纹扩展的实验方法。对卸载后的裂纹闭合,裂纹闭合后的扩展特性、每次卸载的比例、每次卸载后裂纹至少应扩展的长度及计算门坎值附近扩展速率da/dN的取值区间等问题做了定量的研究。为了提高国产疲劳试验机控制载荷的精度,本文还介绍了新研制的一种简易载荷控制器。     

裂纹扩展的涡流检测法和扩展速度变化规律的实验观察

本文介绍一种测量裂纹扩展的涡流检测法,特别适用于裂纹快速扩展测量。它比目前常用的高速摄影、导电丝栅(裂纹计)、电位(阻抗)法等,具有能直接记录裂纹扩展量的时间历程曲线(全过程)、灵敏度高、抗干扰性能优良、动态特性好等优点,而且使用很简便。自然,也可用于“静态”扩展测量.用此法测量了DCB试件的裂纹快速扩展过程,观察了裂纹扩展速度的变化规律,发现以往理论分析时常用的扩展速度为常数的假设与实际不符,在裂纹扩展量较短时更是如此.弄清扩展速度变化规律,对于建立正确的动力学模型,以进行裂纹扩展计算是很重要的. 本文主要是介绍实验方法.     

基于圆弧底试件的动态裂纹扩展及止裂规律研究

为了研究脆性材料的动态裂纹扩展及止裂规律,设计了一种带圆弧形底边的梯形开口边裂纹（trapezoidal opening crack with arc bottom,TOCAB）构型的试件。在落锤冲击设备加载下,对圆心角为0°、60°、90°和120°的TOCAB试件进行了冲击实验,并采用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)监测裂纹起裂和扩展时间,从而获得裂纹扩展速度。采用有限差分软件AUTODYN对落锤冲击设备和试件进行数值模拟,研究了裂纹的动态扩展过程及止裂规律。还基于实验和数值方法,计算了裂纹的临界动态应力强度因子。实验和数值结果均表明:3种弧度的TOCAB试件都可以实现运动裂纹止裂,该构型可用于研究动态裂纹止裂问题;数值计算的裂纹扩展路径与实验结果基本一致,验证了数值模型的有效性;裂纹起裂和止裂时刻的临界动态应力强度因子大于裂纹动态扩展过程中的临界动态应力强度因子。     

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.     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹疲劳扩展规律研究

本文以含倾斜裂纹的拉伸板为试验模型,进行了Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹疲劳扩展实验证实了文献[1]提出的复合型裂纹疲劳扩展寿命预计方法是一种较高精度的工程计算方法。本文提出了估算拉伸板中斜裂纹疲劳扩展寿命的另一种方法——投影法。与实验数据相比,投影法在较大范围内与实验结果相吻合;同文献[1]具有同等精度,但计算简便。本文根据实验结果,对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的疲劳扩展角与在单调载荷作用下的断裂角之间的差别作了初步的探讨。发现实际的疲劳扩展角普遍大于单词载荷下的断裂角。     

CRACK INTERACTING WITH AN INDIVIDUAL INCLUSION BY THE FRACTURE CRITERION OF CONFIGURATIONAL FORCE

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂（圆孔、软夹杂、硬夹杂）干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45°时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

基于构型力断裂准则的裂纹与夹杂干涉问题

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂(圆孔、软夹杂、硬夹杂)干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45?时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

整个应力场对纹对裂纹失稳扩展轨迹的影响

本文通过对凸形板试件对称边裂纹失稳扩展轨迹的实验研究和有限元计算，证实了裂纹失稳扩展轨迹是由失稳扩展前一瞬间的整个应力场决定的。研究表明：周向主应力判据此最大周向拉应力判据能更高精度地预测失稳裂的扩展轨迹。以上结论与薛昌明等人的相吻合。     

压缩载荷作用下岩石类材料的断裂模式研究

为了解岩石类材料在压缩条件下的裂纹扩展规律,本文对含有内部倾斜裂纹的石膏板试件进行了双轴压缩实验. 研究表明:在通常情况下岩石裂纹按I 型张拉模式扩展,但随着裂纹表面摩擦系数μ和围压与纵向荷载比值λ的提高,翼裂纹扩展的偏转角随之减少.当裂纹表面摩擦系数和围压与纵向荷载比值足够大时,例如,μ=0.83和λ=0.315,岩石裂纹按Ⅱ型剪切模式扩展.然而,当裂纹表面摩擦系数和围压与纵向荷载比值进一步增加时,石膏板试件将发生强度破坏.本文提出了一个理论模型用以解释和描述这一实验现象.     

疲劳裂纹亚临界扩展路径的预估和实验研究

本文根据线弹性断裂力学复合型裂纹扩展的原理,应用数值计算方法预估了船体仓口甲板模型疲劳裂纹亚临界扩展的路径,并进行了实验验证。结果表明:疲劳裂纹亚临界扩展的路径可以用线弹性断裂力学复合型裂纹扩展方向来预估,当构件承受的最大名义应力小于0.6δ_(v2)时,预估得到的裂纹扩展路径与实验结果符合得相当好。     

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.