On Two-Scale Model of Fracture Mesomechanics of Composites with Cracks under Compression

A two-level fracture model of composites with cracks under compression is proposed. Fiber-reinforced laminated panels with a hole are considered. The panels are compressed along the fibers so that two cracks propagate from the hole boundary at a right angle to the loading direction. The fracture mechanism is analyzed at two levels. The first level is the compression-induced stress concentration at the tip of a finite-thickness crack filled with a fractured material. At this level, the theory of elasticity of linear orthotropic body is used. The second level is compression fracture at the crack tip. The analysis performed at this level involves the three-dimensional linearized theory of stability of solids, considering microcracks in the interface between the fractured and intact materials, and the exact solution describing the compression-induced instability of the cracked interface. The second level is where results obtained by the author are used. Thus, the approach proposed employs the theory of elasticity of linear orthotropic body and the three-dimensional linearized theory of stability of solids to analyze a specific mechanism of fracture__________Published in Prikladnaya Mekhanika, Vol. 41, No. 5, pp. 141–144, May 2005Reported at ICF-11 (Turin, Italy, March 20–25, 2005). The ICF-11 proceedings have been published on CD-ROM. The author ‘s other reports presented at ICF-6 (1984) to ICF-10 (2001) are listed in Appendix.     

复合材料桥连的断裂动力学模型

复合材料产生裂纹后，其纤维处形成“桥连”，这是一个不可避免的现象。由于桥连问题很复杂．在数学方法的处理上有很大困难，至今人们研究大多是桥连的静力学问题．而对其动力学问题研究得很少。为了便于分析复合材料的问题，将桥连处用载荷代替，当裂纹高速扩展时．其纤维也连续地断裂。只有建立复合材料的桥连动力学模型，才能更好地研究复合材料的断裂动力学问题。通过复变函数论的方法，将所讨论的问题转化为Riemann—Hilbert问题。利用建立的动态模型和自相似方法，得到了正交异性体中扩展裂纹受运动的集中力P及阶跃载荷作用下位移、应力和动态应力强度因子的解析解，并通过叠加原理，最终求得了该模型的解。     

Analyzing the Laws of Stable Subcritical Growth of Cracks in Polymeric Materials on the Basis of Fracture Mesomechanics Models. Theory and Experiment

The laws of stable crack growth are analyzed using fracture mesomechanics models for polymeric materials under long-term subcritical tension. A review is given of experimental and theoretical studies of crack-tip process zones. The studies were conducted using physical and mechanical methods and fracture mesomechanics models, allowing for the structural and rheological features of process zones. Theoretical and experimental results on the behavior of process zones are generalized and the theory of stable crack growth in viscoelastic polymers, which assumes the autonomy of the process zone during crack development, is justified     

含裂纹梁刚塑性动态断裂的非线性线弹簧模型分析

用非线性线弹簧模型分析了带裂纹梁的刚塑性动态断裂问题.在塑性势理论基础上,建立了全塑性状态下的弹簧本构关系,并用此关系导出带裂纹梁刚塑性动态断裂分析的基本方程,计算了在冲击载荷作用下,裂纹梁的动态断裂响应.     

复合材料的裂纹动力学问题的模型

复合材料产生裂纹后，其纤维处形成“桥连”，这是一个不可避免的现象。由于桥连问题很复杂，在数学方法的处理上有很大困难，至今人们研究的大多是桥连的静力学问题，而对其动力学问题研究得很少。只有建立复合材料的桥连动力学模型，才能更好地研究复合材料的断裂动力学问题。为了便于分析复合材料的问题，将桥连处用载荷代替，当裂纹高速扩展时，其纤维也连续地断裂。通过复变函数论的方法，将所讨论的问题转化为Riemann-Hilbet问题。利用建立的动态模型和自相似方法，得到了正交异性体中扩展裂纹受运动的集中力Px/t及均布载荷作用下位移、应力和动态应力强度因子的解析解，并通过迭加原理，最终求得了该模型的解。     

Kevlar纤维增强复合材料动态压缩力学性能实验研究

通过实验较系统地研究了Kevlar纤维增强复合材料的动态压缩力学性能,实验结果表明,在冲击压缩载荷作用下Kevlar纤维增强复合材料有明显的损伤软化现象和应变率效应,针对Kevlar纤维增强复合材料动态应力应变实验曲线,提出了含损伤的率相关动态本构方程,由于所引入的损伤最反映了Kevlar纤维增强复合材料内部基体开裂、脱层、纤维断裂等多种破坏模式的总体效果,因此所提出的本构方程形式相对说来比较简便并易于嵌入目前有关冲击力学的有限元或有限差分程序,有一定的工程应用价值。     

有限宽板中心裂纹断裂过程区的长度和位移公式

对岩石、混凝土和陶瓷等准脆性材料进行断裂分析,有必要研究裂纹前端的断裂过程区所起的作用以及各种因素对它的影响。本文提出分析有限宽中心裂纹板剪切断裂过程区的方法,此方法基于D－B模型的叠加原理,考虑了压剪断裂的摩擦阻力,并将有限板宽影响简化为载荷的修正,以非常简便的方法推导出计算断裂过程区长度和位移的公式,这些公式补充了现有文献只有“无限大”板的解的不足。利用这些公式,分析各种参数对断裂过程区长度和位移的影响变得非常方便。     

Stability of Cylindrical Shells Made of Fibrous Composites with One Symmetry Plane

Cylindrical shells produced by single-layer or cross winding are analyzed for stability. An approximate analytical solution is proposed. It allows evaluating the effect of an unbalanced laminate on the critical values of the axial load, intensity of external pressure, and shear forces. It is shown that the effect of imbalance weakens with increase in the number of laminas. In each specific case, the number of laminas at which the material can be considered orthotropic is determined __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 41, No. 6, pp. 113–120, June 2005.     

Fracture and stability of materials and structural members with cracks: approaches and results

A new alternative approach to fracture problems for materials and structural elements with cracks is set out. It is based on the mechanism of local instability near defects. The approach is used to study the fracture of materials compressed along interacting cracks and the fracture of thin structural members with cracks under tension with allowance for local buckling.__________Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 40, No. 12, pp. 18–64, December 2004.     

层状纤维圆柱壳轴向压缩破损实验研究

通过对端部引发缺陷层状纤维复合材料圆柱壳在轴向准静态和冲击压缩下的实验研究,分析其渐进压缩破损模式和破坏模式的形成机理．研究此类结构的缓冲性能．实验研究表明随着纤维铺设角度的改变其破损模式的主导形式与分层扩展强度、环向断裂强度和纤维与基体脱胶裂纹相关．它们的断裂韧度的高低决定结构的能量吸收能力     

准脆性材料断裂过程区中的圆饼微裂纹损伤计算

准脆性工程材料及结构在外力作用下,不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展,且使得其结构承载能力降低或性能劣化．在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区．为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律,通过细观力学方法,对于代表性体积单元RVE中的圆饼型微裂纹的尺寸与密度变化,探讨其宏观断裂过程区力学参量与损伤之间的量化关系．借助宏观断裂过程区的黏聚裂纹模型,将损伤单元RVE嵌入到宏观裂缝端部的断裂过程区中,对其进行联接细观损伤到宏观破坏的力学多尺度研究．文中也通过实验数据,对其理论计算结果进行了算例的讨论与分析．     

试样尺寸对核电厂主蒸汽管道断裂韧性的影响研究

以某核电厂SA335 材料主蒸汽管道为研究对象,首先结合SA335 的断裂阻力曲线（J-R 曲线）试验测量结果,提出了一种方法确定韧性金属材料裂纹扩展模型（G-T 模型）中的主要微观参数：初始孔隙率0 f 和初始孔隙间距D;随后,在有限元计算中引入G-T 模型模拟了SA335 紧凑拉伸试样的断裂过程,讨论了试样尺寸对于J-R 曲线的影响．结果表明：试样厚度一致时,初始裂纹长度大的试样对应偏低的断裂韧性;当试样尺寸整体缩放时,较大尺寸的试样对应偏低的断裂韧性．最后,结合实例说明了试样整体尺寸对于主蒸汽管道临界裂纹长度的影响．     

纤维增强聚合物布加固裂纹木梁的稳定性

梁中横向裂纹等效为无质量内部转动弹簧，假定纤维增强聚合物(FRP)布与梁表面紧密粘贴，建立了考虑轴向压力二阶效应FRP 布加固裂纹梁线性弯曲的控制方程，并得到其显式解析通解．在此基础上，研究了FRP加固简支裂纹木梁的稳定性，通过数值求解方程，分析了纤维增强聚合物(CFRP)布含量、裂纹深度和位置以及数量等因素对CFRP 布加固简支裂纹杉木梁临界载荷的影响，结果表明：CFRP 加固可明显减小裂纹深度和数量等对裂纹杉木梁临界载荷的影响，且裂纹处弯矩较大或裂纹较深时加固效应愈加显著；CFRP 加固裂纹木梁临界载荷随CFRP 布加固层含量的增加而增加，但当CFRP 布含量达到一定值后，进一步增加CFRP 含量对CFRP加固裂纹梁临界载荷提高并不明显．     

用边缘荷载格林函数方法计算含裂纹Reissner型有限板的弯曲

本文在文献[1]所得到的受边缘荷载格林函数基本解方法基础上,利用叠加原理,通过边界积分方程的方法,分析了含裂纹Reissner型板的弯曲断裂问题。计算表明方法正确,便于应用。     

On two models in the three-dimensional theory of stability of composites

A comparative analysis is made of the infinite-fiber and finite-fiber models in the three-dimensional theory of stability of composites. The results analyzed have been obtained using the three-dimensional linearized theory of stability of deformable bodies. A historical sketch is given of the theory of stability for and approaches used in the mechanics of laminated and fibrous composite materials Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 44, No. 8, pp. 3–31, August 2008.     

基于光滑有限元法的热-弹相场断裂研究

基于相场理论,论文构建了热力耦合作用下热-弹性材料的复杂断裂控制方程,采用光滑有限元法对该模型进行了数值离散;设计编写了相应的Matlab计算程序;开展了热-力载荷下的二维拉伸断裂模拟,将结果和有限元计算结果对比,吻合一致.同时采用该模型开展热冲击下陶瓷板的多裂纹扩展过程模拟,计算结果和实验结果吻合良好,验证了论文方法的有效性.     

一种表面裂纹高温断裂韧性测试方法

提出了一种表面裂纹高温断裂韧性测试方法，包括试样加热、温控和裂纹嘴张开位移测试方法．该方法适合于在相对简单的条件下测试表面裂纹高温断裂韧性．最后给出了铝合金焊缝表面裂纹高温断裂韧性的测试结果．     

哈密顿体系在断裂力学Dugdale模型中的应用

利用平面扇形域哈密顿体系的方程，通过分离变量法及共轭辛本征函数向量展开法，以解析的方法推导出基于Dugdale模型的平面裂纹弹塑性解析元列式。将该解析元与有限元相结合，构成半解析的有限元法，可求解任意几何形状和荷载平板裂纹的Dugdale模型问题。数值计算结果表明本文方法对该类问题的求解是十分有效的，并有较高的精度。     

玻璃纤维增强型复合材料圆筒高温高压动态冲击断口形貌分析

为了探究埋头弹火炮所用的玻璃纤维增强型(GFR)复合材料药筒在高温高压瞬态冲击条件下的结构强度,分别开展了圆筒静态整体拉伸和动态高温高压冲击实验,从拉伸/瞬态超高压破坏试样断口部分截取断口样品,在扫描电子显微镜下观察断口形貌,得到GFR复合材料在两种不同受力情况下的失效模式。结果表明：室温整体单轴拉伸断裂时,GFR复合材料的断面与轴线夹角接近45°, 失效模式为环氧树脂基体破坏和纤维拔出;在高压瞬态冲击作用下,试样主要失效模式为纤维的脆性断裂,同时由于火药燃烧产生的高温燃气使部分环氧树脂基体碳化,纤维与基体界面结合力降低,少数纤维熔融或软化附着在断口上,部分软化的纤维因瞬态超高压被拉细。