金属试件变形断裂过程的计算模拟分析——组合功密度模型的应用

本文作者已建立了一个既适用于裂纹体亦适用于无裂纹体的统一损伤断裂模型——组合功密度模型。在本文中,作者应用该模型并结合大应变弹塑性有限元方法对40Cr制的圆棒光滑拉伸试件、圆棒切口拉伸试件和三点弯曲裂纹试件的变形和断裂过程进行了计算模拟。模拟结果很好地再现了两种圆棒拉伸试件的实验过程;而对于三点弯曲试件,模拟得到的载荷——加载位移关系曲线、裂纹扩展量——加载位移关系曲线、J_R阻力曲线和断裂韧性J_(IC)值等均与实测结果相当吻合。证实了该模型既能用于模拟预测无裂纹体中的裂纹萌生和扩展,也能模拟预测裂纹体中的裂纹起裂和稳定扩展过程。     

评估材料断裂韧性的损伤等效法

以实际结构充实验试件与ＨＲＲ裂尖场的一特征点的损伤相当为原则，建立了ＨＲＲ场的裂尖控制参数与实际试件在结构裂尖控制参数之间的关系．据此可消除不同试件因约束不同而导致的断裂韧性的变化；亦可用来评估实际结构及试件的断裂失效。     

Computer simulated analyses on deformation and fracture of non-cracked and cracked specimens

A unified damage and fracture model, the combinatory work density model, which is suitable for either non-cracked body or cracked body has been suggested^[t−7]. In the present paper, the deformation and fracture of the two kinds of tensile spceimen and TPB specimen made of 40Cr steel have been simulated by using the new model together with the large elastic-plastic deformation finite element method. The results give a good picture of the whole deformation and fracture processes of the specimens in experiments; especially, the results on the TPB specimen can be used to obtain the relationship between load and displacement at the loading pointP-Δ, and between crack extension and displacement at the loading point Δa-Δ, the resistance curveJ _R -Δa and the fracture toughnessJ _1C . All the results are in remarkable agreement with those obtained by experiments. Therefore the model suggested here can be used to simulate crack initiation and propagation in non-cracked body and fracture initiation and crack stable propagation in cracked body. The project supported by National Natural Science Foundation of China     

基于J-C模型的镁合金MB2动静态拉伸破坏行为

为了研究不同应力状态和应变率条件下镁合金MB2的拉伸破坏行为,利用材料试验机和分离式Hopkinson拉杆(SHTB),对镁合金MB2的光滑及缺口圆柱试件进行了动静态拉伸加载;拟合得到了镁合金MB2的动静态拉伸本构关系,建立了其修正的Johnson-Cook失效破坏准则,并对不同试件的拉伸破坏行为进行了数值模拟;利用SEM对宏观破坏模式对应的微观损伤机理进行了分析。结果表明,随着应力三轴度的增加,镁合金MB2的等效破坏应变先增大后减小,宏观破坏模式由剪切转为正拉断,微观损伤机制由混合断裂转变为韧窝断裂;而随着应变率的增加,等效破坏应变不断减小,破坏模式不发生改变。Johnson-Cook本构关系和修正后的Johnson-Cook失效破坏准则能较好地拟合动态静态拉伸实验结果并预测不同试件的杯锥形破坏特征。     

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.     

Dual-parameter elastic-plastic fracture criterion of metals and alloys in the plane strain case

In recent years, some investigators discussed the applicability of the HRR theory for engineering materials based on the results of numerical analyses and experimental studies. In the present paper, the finite element method is employed to analyze the crack tip fields of the engineering elastic-plastic material with a variety of geometry configurations of cracked specimens from elastic state to intensely general yielded state in the plane strain case. The results indicate that the HRR theory loses its validity of application for engineering elastic-plastic materials in the plane strain case. The reasons for this are analyzed. A dual-parameter fracture criterion is suggested for this case.     

贯穿的中心裂纹LY12板在动静态加载条件下的断裂实验研究

本文对具有不同裂纹尺寸的中心裂纹ＬＹ１２板试样在动、静态拉伸加载条件下，分别进行了断裂实验研究，得到了名义断裂应力与板的初始裂纹长度间的关系。通过对动、静态实验结果的比较，得到在动、静态拉伸加载条件下某些参量间的相互关系。     

厚度与加载速率对铁素体钢断裂韧性影响的SP压杆法实验研究

采用SP压杆实验方法,在常温下研究小圆薄片断裂韧性的厚度效应及加载速率对断裂特性的影响.实验结果表明,随着厚度的增加,断裂变形能增加,断裂部分的外表面因双向应力状态表现出微突起,微突起四周存在微小裂纹;随着加载速度的增加,断裂变形能增加,剪切断裂表面表现出从密集韧窝到韧窝连接成片特征.考虑试件变形过程中不同部分的能量耗散,从SP试件的整体断裂变形能得到试件的断裂韧性的宏观表达,断裂韧性随着厚度的增加而增加,随着加载速度的增加而减少.采用临界塑性断裂应变作为裂纹起裂判据,单位面积的能量耗散率作为裂纹扩展和失效判据的断裂模型,用有限元方法对SP压杆实验进行模拟,得到与实验结果比较相符的模拟结果.     

薄板试样斜断口形成机制及损伤断裂过程分析

为分析不同材料和尺寸的薄板试样在室温下拉伸破坏后均形成与横截面夹角在20°~25°之间斜断口的原因,首先用统计方法对试样内随机分布微缺陷进行讨论,提出一种在宏观尺度上材料内微缺陷分布局部非均匀简化模型的假设.应用含孔材料损伤本构模型对含有不同方向微缺陷分布局部非均匀薄带区域的16MnNb薄板试样变形至破坏全过程进行数值模拟.结果表明,斜断口形成主要是由于试样内在与横截面夹角小于45°的带形区域内微缺陷分布局部非均匀造成,且与该带形区域在试样中位置无关;由于考虑微缺陷分布局部非均匀,得到试样的斜断口形成过程与试验现象完全一致;同时结合试验断口形貌,对变形过程中颈缩截面内损伤演化和破坏过程进行研究,进一步解释薄板试样的损伤破坏机制.     

Random-fuzzy model for the ductile/brittle transition

IntroductionTheductile brittletransition (DBT )ofsteelalloysisinfluencedbythematerialmicrostructureandtestingtemperature[1].Availablereferencesrangingfromanalyticalapproachtoempiricaltestsaretoonumeroustolist.Mostofthesemodesaredeterministic ,whichdidnottaketherandomnessoftheparametersandman_madeerrorintoconsideration .Thebasicproposesofthispaperistounderstandthetransitionbyanewrandom_fuzzymodel.Theductile brittletransitioninvolvestheductilefracture ,brittlefractureandthetransition .Inacerta…     

Fracture testing of a self-healing polymer composite

Inspired by biological systems in which damage triggers an autonomic healing response, a polymer composite material that can heal itself when cracked has been developed. In this paper we summarize the self-healing concept for polymeric composite materials and we investigate fracture mechanics issues consequential to the development and optimization of this new class of material. The self-healing material under investigation is an epoxy matrix composite, which incorporates a microencapsulated healing agent that is released upon crack intrusion. Polymerization of the healing agent is triggered by contact with an embedded catalyst. The effects of size and concentration of the catalyst and microcapsules on fracture toughness and healing efficiency are investigated. In all cases, the addition of microcapsules significantly toughens the neat epoxy. Once healed, the self-healing polymer exhibits the ability to recover as much as 90 percent of its virgin fracture toughness.     

韧性断裂的微观模型及其在约束断裂中的应用

详细分析了不同形状断裂试件及小范围屈服模型裂纹端部的损伤演化，提出了韧性断裂的宏观起裂相当于裂尖前方一特征位置处的损伤达到一临界值。利用此模型获得了与实验相一致的宏观断裂韧性及与约束无关的理论断裂韧性。     

Mixed mode fracture in soda lime glass analyzed by using the generalized MTS criterion

Glasses are known to be vulnerable to tensile stresses particularly in the presence of pre-existing cracks. Since cracks in glass components are very often subjected to mixed mode loading, several researchers have studied mixed mode fracture in soda lime glass using different test specimens. Among these specimens, the cracked Brazilian disc specimen has been used most frequently by investigators. However, it is shown in this paper that the previously reported experimental results obtained from the cracked Brazilian disc specimen for several glasses are always underestimated by fracture theories like the maximum tangential stress criterion. A generalized maximum tangential stress criterion is then employed for predicting the mixed mode fracture test results. It is shown that the experimental results obtained from the cracked Brazilian disc specimen and reported in the literature for soda lime glass can be estimated very well when the generalized criterion is used. It is also shown that the same criterion can be used for predicting the test results available in the literature for brittle fracture in a glass plate containing an angled center-crack.     

中心直裂纹平台巴西圆盘复合型动态应力强度因子

为了指导用中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样进行岩石复合型动态断裂 试验,利用有限元法首先验证了文献中对中心直裂纹巴西圆盘(CSTBD)得到的有关结果,分析 比较了不同无量纲裂纹长度(即裂纹半长和圆盘半径之比)时两种圆盘的I, II型动态应力 强度因子的时间历程,发现两者的差异大部分在10{\%}以内,同时验证了该文数值方法的可 靠性. 然后讨论了CSTFBD试样I, II型动态应力强度因子的复合比、起裂角以及纯II型加 载角. 研究成果可为复合型动态断裂试验中CSTFBD试样的加工、试样上应变片的粘贴、起裂 方向和起裂时间的估计等提供参考.     

泡沫铝-复合泡沫冲击韧度及黏弹性分析

泡沫铝-复合泡沫互穿相复合材料是一种新型的结构功能一体化材料,在机械、交通、建筑等领域具有重要的应用前景。本文制备了纯泡沫铝及空心玻璃微珠四种体积分数的泡沫铝-复合泡沫试件,通过摆锤冲击实验研究了其冲击韧度,讨论了其断口形貌与结构性能的关系,通过单轴压缩的应力松弛实验研究其黏弹性性能。研究表明：空心玻璃微珠体积分数为10%的泡沫铝-复合泡沫试件的冲击韧度最大,随后其冲击韧度随空心玻璃微珠体积分数的增加而减小;当空心玻璃微珠体积分数较小时,泡沫铝的结构形貌决定了冲击断口的形貌,但当其体积分数达到30%时,空心玻璃微珠的破坏是形成断口形貌的主要原因;复合材料的黏弹性性能随着玻璃微珠体积分数的增加而增大。     

求解I型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.      

聚氨酯泡沫塑料的强度与断裂韧性

针对3种密度的聚氨酯泡沫塑料进行了拉伸实验。通过无缺口试件确定了3种密度泡沫塑料的拉伸断裂强度,而利用有缺口试件确定了这些材料的拉伸断裂韧性。为了研究高密度泡沫塑料的拉伸断裂机制,还对破坏后试件进行了扫描电镜分析。此外,还简要讨论了泡沫塑料拉伸断裂力学性能的理论预测问题。     

冲击作用下含预制裂纹梁柱试件的动态断裂

利用焦散线实验系统,进行了冲击加载下含预制裂纹梁柱试件的断裂实验,研究了梁柱试件的梁柱节点、梁上和柱端裂纹的扩展轨迹、扩展速度和应力强度因子的变化规律。实验结果表明:受冲击后,试件首先在梁柱节点处开裂,并在裂纹扩展过程中发生明显的曲裂运动,证明梁柱节点处最容易受到破坏。预制裂纹条数越多,梁柱节点处开裂越晚,说明裂纹条数少,能量可以在裂纹尖端积聚得更集中、更快。含柱端预制裂纹的试件,2条裂纹的开裂相隔时间要长于含梁上预制裂纹的试件;同时,试件的第2条裂纹优先在梁上裂纹处开裂,说明固端支座比简支梁断裂需要更多的能量。随着预制裂纹的增多,梁上裂纹在扩展过程中的曲裂现象减弱, 由于部分能量在柱端裂纹处积聚,用于推动梁上裂纹扩展的能量相应地减少。并且由于柱端裂纹的存在,梁上裂纹受到的拉应力分量减小,导致裂纹尖端受到弯矩变小,影响了裂纹的曲裂运动。     

绝热剪切损伤和破坏的数值模拟研究

绝热剪切破坏是冲击载荷作用下金属材料中经常出现的一种重要破坏模式,尽管已经在实验中观察到了绝热剪切带内部的损伤现象,但是在理论和计算模型中往往还只是考虑它的热软化效应,对与之伴随的损伤破坏效应却鲜有讨论．该文在前人实验的基础上,提出了一个适用于绝热剪切带内部微孔洞损伤发展的演化方程,并在本构方程中同时考虑了温度和损伤对材料的影响,成功地模拟出了绝热剪切带的热软化效应和损伤破坏效应．