对于平面应力情况下Ⅰ型裂纹尖端区域主应力符号问题的探讨

在迄今为止的断裂力学中,往往习惯于把σ_3=0作为平面应力的标志。这样的规定意味着,在平面应力情况下的裂纹尖端区域没有一个主应力可能为负值。然而在我用光弹性贴片法研究裂纹尖端区域应力、应变场的实验中,却得到了一些与这种观点相反的 ...     

试验确定自增强圆筒的表面裂纹K1因子和疲劳扩展规律

本文提供了一种可以进行自增强处理的圆筒试样,通过实验用柔度法确定了该试样的表面裂纹的应力强度因子,介绍了含表面裂纹试样的柔度测试技术,导出了柔度与表面裂纹尖端前缘各点的应力强度因子的关系式,该式可作为各种含表面裂纹试样柔度法测表面裂纹 K_1因子的参考,本文还测定了不同自增强程度下,自增强圆筒的表面裂纹疲劳扩展规律。     

光弹法实测正交异性双材料界面裂纹断裂参数

采用光弹贴片法实测正交异性双材料界面裂纹尖端区域的应力应变场, 进而求出界面裂纹的断裂力学参量. 将正交异性双材料板加工成拉伸试件,在聚碳酸酯贴片 的单侧表面镀金属铝膜,以提高贴片的反射效率. 沿贴片后的双材料界面预制裂缝,逐渐加 大载荷,得到一系列清晰的等差线条纹图. 利用正交异性双材料界面裂纹尖端应力分量表达 式计算出应力强度因子. 实验表明,光弹贴片法可有效地分析正交异性双材料界面裂纹问题.     

两种材料组成弹性体的界面裂纹问题

本文研究了两种材料的半空间组成的弹性体在交界面上含半无限平面裂纹时的裂纹尖端应力场与应力强度因子,应用弹性力学位移场的通解以及Kontorovitch-Lebedev积分变换求解出了在裂纹面上作用有对称法向载荷时的裂纹尖端应力场以及应力强度因子的具体形式。     

用光弹性法测定复合应力强度因子

工程结构裂纹尖端应力强度因子(SIF)由于形状、荷载的复杂性及边界条件的不确定性,难以用解析法得到,数值计算也有困难,而光弹性法弥补了上述方法的不足。本文用环氧树脂制作圆轴模型,采用机加工的方法制作圆轴模型裂纹,然后将加载模型进行应力冻结,通过光弹性实验研究分析了圆轴裂纹尖端应力分布。由于带环形裂纹的圆轴在弯扭组合变形时,离中性轴最远的裂纹尖端处于复合裂纹状态,而三维光弹性应力冻结法是测定复杂三维问题复合裂纹的有效方法。本文用双参数法测定I型应力强度因子,用切片逐次削去法测定Ⅲ型应力强度因子,实验误差较小。     

旋转盘弹塑性应力分析的光贴片法研究

本文研究了用光弹性贴片法进行旋转盘弹塑性应变测定及应力分析的理论及实验技术,并对两种形式的平面盘进行了弹塑性应变分布的实际测量。     

基于哈密顿原理的两种材料界面裂纹奇性研究

研究了两种材料组成的弹性体在交界面上含裂纹时的裂纹尖端奇异场。通过变量代换及变分原理，将平面弹性扇形域的方程导向哈密体系，从而可通过分离变量及共轭辛本征函数展开法解析法求解扇形域方程，得到求解双材料界面裂纹尖点奇性的一般表达式，由此为该类问题的求解开辟了一条新途径。     

圆柱壳体的曲率半径对表面裂纹应力强度因子的影响

本文探讨了含周向内、外半椭圆表面裂纹圆柱壳体的曲率半径对其应力强度因子K_1的影响.主要内容包括三个部分:1.用光弹性法测定了含周向半椭圆表面裂纹圆柱壳的应力强度因子.2.用焦散线法测定了含周向半椭圆表面裂纹圆柱壳体的应力强度因子.3.拟合出了曲率修正因子F_c的近似计算公式.文章给出的结果与已有的理论结果吻合.曲率修正因子F_c的近似计算公式在给定的范围内能够满足工程上的需要.     

含共线双半无限裂纹的正交异性复合材料板平面弹性问题的解析解

运用广义复变函数方法,通过构造适当的广义保角映射研究了含有共线双半无限裂纹的正交异性复合材料板的平面弹性问题,得出了部分裂纹面上受均匀面内载荷时应力场与两裂纹尖端处应力强度因子的解析解。结果表明:应力场的大小不仅与材料的几何构型及外载荷有关,还与材料的弹性常数有关,这是正交异性复合材料不同于各向同性材料的显著特征;两裂纹尖端处应力强度因子的大小只与材料的几何构型及外载荷有关;当两裂纹尖端的距离趋于无穷大时,所得到的解析解可退化为已有的正交异性复合材料板中半无限裂纹问题的解,通过将其与已有文献中的结果进行对比,验证了本文解析解的正确性。并通过数值算例分析了裂纹面上的受载长度、两裂纹尖端的距离对应力强度因子的影响规律以及两裂纹之间的相互作用。     

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。     

受内压厚壁圆筒的塑性变形条件与脆断分析

基于弹性约束的概念,分析了受内压厚壁圆筒产生塑性变形的条件。发现厚壁圆筒发生脆性断裂的根本原因是,圆筒内壁高应力区因受到外壁低应力区的弹性约束,在应力达到材料的屈服条件时不能产生塑性变形。通过计算给出了受内压管道避免脆性断裂的壁厚设计和选材方法。研究结果表明,对外直径2b=300mm的不同管线钢,随屈强比从0.51增大到0.91,其临界壁厚由62.2mm降低至12.9mm,极限内压由225.2MPa降低至69.0MPa,即选用材料的屈强比越低,设计管道不发生脆断的壁厚尺寸范围越大,在临界壁厚尺寸范围内管道的极限承载能力也越高。因此使用较低屈强比的材料并控制合理的管道壁厚,能使管道在承受意外的冲击内压时,出现全面塑性变形,以吸收冲击能量,避免管道脆性断裂的发生。     

贴片云纹干涉法测复合应力强度因子

贴片法把Post提出的云纹干涉法向前推进了一步,它成本低、实验周期短、工艺简单,在一般光测力学实验室都可进行。由于贴片可以分离,使云纹干涉法用于现场测量成为可能。本文提出了估计裂纹尖端绝对位移的切点连线法。编写了可以计算尖端刚性位移和旋转的阻尼最小二乘法程序,应用单向栅线,测定复合应力强度因子,与理论值进行了比较,得到了满意的结果。计算和实验的位移场重合。     

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.     

K_1、K_2、K_3混合型裂纹问题的光弹性方法求解

导出了用光弹性斜射法求 K_3的理论公式,在此基础上,结合超定法,用一次切片,解决了 K_1、K_2、K_3的混合型裂纹问题的光弹性方法求解,并进行了实验验证.     

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.     

圆筒外壁双边裂纹扭转问题的应力强度因子计算

本文提出了一组应力函数,用边界配置法计算了含外壁双边裂纹的扭转圆筒的扭转刚度和Ⅲ型应力强度因子.当内孔很小时,计算结果与含双边裂纹扭转圆轴的已知解一致.同时,本文给出了不同几何尺寸下圆筒扭转的计算结果.所用力法可以用于含外壁双边裂纹的不同形状简类结构的扭转问题.     

用散光光弹性测量Ⅰ型应力强度因子

利用散光法确定Ⅰ型应力强度因子的可行性已在一根带边裂纹的梁承受纯弯曲的情况下得到证实。可以用光弹性条纹数据米获得裂缝尖端周围奇异区内的条纹梯度的表达式。Ⅰ型应力强度因子是通过把条纹梯度与奇异区内的局部应力联系起米,然后将这些结果外推到裂缝尖端而给予确定。实验结果和解析结果表示了良好的一致性,故建议将此法应用于三维断裂力学问题。 字符: σ_(xx),σ_(yy),σ_(zz)=笛卡尔坐标中的应力分量。 σ_0=远场应力在奇异区内的效应。 x,y,z=在图1中定义的笛卡尔坐标。 γ,θ=裂纹尖端处的极坐标。 K_Ⅰ=Ⅰ型应力强度因子。 K_(Ⅰth)=Ⅰ型应力强度因子的理论值。 f_σ=散光法应力条纹系数。 (dN)/(dx)=散光条纹梯度。     

裂纹起裂方向及扩展路径的数值模拟

采用FRANC2D断裂力学分析软件分析了含裂纹构件的断裂问题,通过在裂纹尖端附近采用1/4奇异等参元,很好的刻画了裂纹尖端场的1/√r奇异性,通过对若干典型断裂问题的计算,得到了裂纹尖端的断裂参数,模拟了有限板中心斜裂纹和边斜裂纹的扩展过程,并对裂纹的起裂方向进行了预测,与实验结果进行对比具有较好的一致性.分析结果表明,FRANC2D软件对线弹性材料的断裂问题计算结果精度很高,可以模拟裂纹的扩展路径.利用该软件的计算结果对进一步深入分析断裂问题有很大帮助,可以为工程断裂分析提供参考.     

含双共线裂纹板的弹性分析

本文研究含双共线裂纹无限大平板的平面弹性问题,目的是要确定当裂纹上下表面受到任意的张开型载荷(正应力)作用时,板内的应力状态,特别是裂纹尖端上的应力强度因子.已有的若干文献考虑的是均布正应力情况下的问题,只是本文所处理的情况的一个特例.1.问题和基本解答考虑图1所示的含裂纹无限大平板.用t 表示裂纹位置线L 上的坐标x,我们要确定当裂纹上下表面受到任意的正应力σ(t)作用时,板内的应力和应力强度因子的计算公式.为此,就要解出由下列边界条件确定的一个平面弹性问题:     

ANALYSIS OF 3-D NOTCHED/CRACKED STRUCTURES BY USING EXTENDED BOUNDARY ELEMENT METHOD 1)

在线弹性理论中,三维 V 形切口/裂纹结构尖端区域存在多重应力奇异性,常规数值方法不易求解. 本文提出和建立了三维扩展边界元法 (XBEM),用于分析三维线弹性 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场. 先将三维线弹性 V 形切口/裂纹结构分为尖端小扇形柱和挖去小扇形柱后的外围结构. 尖端小扇形柱内的位移函数采用自尖端径向距离 $r$ 的渐近级数展开式表达,其中尖端区域的应力奇异指数、位移和应力特征角函数通过插值矩阵法获得. 而级数展开式各项的幅值系数作为基本未知量. 挖去扇形域后的外围结构采用常规边界元法分析. 两者方程联立求解可获得三维 V 形切口/裂纹结构完整的位移和应力场,包括切口/裂纹尖端区域精细的应力场. 扩展边界元法具有半解析法特征,适用于一般三维 V 形切口/裂纹结构完整位移场和应力场的分析,其解可精细描述从尖端区域到整体结构区域的完整应力场. 作者研制了三维扩展边界元法程序,文中给出了两个算例,通过计算结果分析,表明了扩展边界元法求解三维 V 形切口/裂纹结构完整应力场的准确性和有效性.