理想正交各向异性弹塑性材料平面应力条件下Ⅰ型静止裂纹尖端场

在本文中,以 Hill 的塑性理论为基础,详细地讨论了理想正交各向异性弹塑性材料,平面应力条件下Ⅰ型静止裂纹尖端场解。裂纹尖端应力场不包含应力间断线,但包含弹性区。分析的结果表明(i)对于平面应力静止裂纹问题,应力场解不是唯一的,场解中的自由参数必须由远场条件来确定。(ii)裂纹尖端的应力、应变的奇异性,无论是各向异性材料还是各向同性材料,都是相同的。但在各向异性材料中,各向异性参数影响着应力、应变的幅度和分布。     

理想正交各向异性弹塑性材料平面应变条件下静止裂纹尖端场

以Hill唯象理论为基础,建立正交各向异性弹塑性材料的本构关系,给出理想正交各向异性弹塑性材料在平面应变条件下混合型静止裂纹尖端的弹塑性场.与J.Pan的解不同,采用自相似假定,可以用解析方法求得不存在应力间断的应力场.对满塑性区条件和应变的奇异性加以讨论,这些为建立断裂准则提供了理论的依据.     

扩展裂纹准静态渐近解中的矛盾

裂纹尖端附近的应力应变场是一个相当复杂的问题,对于不同的情况,这个场具有完全不同的渐近属性.具体说来,场的渐近属性取决于裂纹状态(静止还是扩展)、几何特征(平面应变还是平面应力)、加载速度(准静态还是动态)、裂纹型式(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型)及材料性质(弹性、塑性、蠕变、……).其中,人们较为重视的一种情况是扩展裂纹尖端的塑性场.而且,为了使问题简化,通常采用准静态假定.对于理想塑性材料Ⅲ型扩展裂纹的渐近解由Chitaley和McClintock给出.对于Ⅰ型裂纹,Slepyan采用Tresca属服条件给出了渐近解,高玉臣和Rice采用Mises屈服条件得到了渐近解,但这些解只适用于     

一种新的计算各向异性材料裂纹尖端应力强度因子杂交元法

利用有限元特征分析法研究了平面各向异性材料裂纹端部的奇性应力指数以及应力场和位移场的角分布函数,以此构造了一个新的裂纹尖端单元。文中利用该单元建立了研究裂纹尖端奇性场的杂交应力模型,并结合Hellinger-Reissner变分原理导出应力杂交元方程,建立了求解平面各向异性材料裂纹尖端问题的杂交元计算模型。与四节点单元相结合,由此提出了一种新的求解应力强度因子的杂交元法。最后给出了在平面应力和平面应变下求解裂纹尖端奇性场的算例。算例表明,本文所述方法不仅精度高,而且适应性强。     

压力敏感性弹塑性材料平面应力条件下起始扩展裂纹尖端的渐近场

采用一个能描述材料压力敏感性和SD效应的抛物型屈服准则,运用正交流动法则给出了材料的本构方程.在平面应力条件下,得出了裂纹尖端弹塑性应力场的基本解.在不同受力状态下(表现在采用不同的塑性混合因子),给出裂纹尖端应力场解的构造.讨论了材料参数对裂纹尖端应力场分布的影响.在自相似假设下讨论了应变的奇异性.结果表明,对于纯Ⅰ...     

Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的弹黏塑性渐近场

考虑材料的黏性效应建立了Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的力学模型,假设黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比,通过分析使尖端场的弹、黏、塑性得到合理匹配,并给出边界条件作为扩展裂纹定解的补充条件,对理想塑性材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了弹黏塑性渐近分析,得到了不含间断的连续解,并讨论了Ⅱ型裂纹数值解的性质随各参数的变化规律.分析表明应力和应变均具有幂奇异性,对于Ⅱ型裂纹,裂尖场不含弹性卸载区.引入Airy应力函数,求得了Ⅱ型准静态裂纹尖端场的控制方程,并进行了数值分析,给出了裂纹尖端的应力应变场.当裂纹扩展速度(M→0)趋于零时,动态解趋于准静态解,表明准静态解是动态解的特殊形式.     

平面幂律塑性Ⅰ型裂纹尖端应力场全解

在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域,服役结构或部件在长期极端条件下运行,不可避免地会产生裂纹,因此,为研究含裂纹结构的准静态断裂行为,必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点.对于幂律材料裂纹构元,研究平面应变和平面应力条件下Ⅰ型裂纹尖端应力场的解析分布.基于能量密度等效和量纲分析,推导了能量密度中值点代表性体积单元(representative volume element, RVE)的等效应力解析方程,并定义其为应力因子,进而针对有限平面应变和平面应力紧凑拉伸(compact tension, CT)试样和单边裂纹弯曲(single edge bend, SEB)试样,以应力因子作为应力特征量,并构造用于表征裂尖等效应力等值线的蝶翅轮廓式和扇贝轮廓式三角特殊函数,提出描述幂律塑性条件下平面I型裂纹尖端应力场的半解析模型.该半解析模型形式简单,对CT和SEB试样的裂尖应力场的预测结果与有限元分析的结果比较表明,两者之间均密切吻合,模型公式可直接用于预测Ⅰ型裂纹尖端应力分布,方便于断裂安全评价和理论发展.     

理想塑性介质中平面应力 静止裂纹的尖端弹塑性场

本文详细分析了理想塑性介质中平面应力I型静止裂纹的尖端弹塑性场,结果表明:裂纹尖端应力场内可以不包含应力间断线,但含有弹性区,作为这个一般解的特殊情况,当弹性区被两侧的塑性区挤压消失而尖端场成为满塑性区时,便得到Hutchinson(1968)给出的解,此外,文中还给出了另一种均匀应力区位于裂纹前方的解,这是[1]未曾得到的。     

具有鲍氏效应的幂硬化材料Ⅲ型定常扩展裂纹奇异场

本文利用和提出的考虑鲍氏效应的塑性硬化(即各向异性硬化)模型,通过引入一表征各向异性硬化效应的参数β,得到了幂硬化材料的本构方程。分析了Ⅲ型定常扩展裂纹尖端的弹塑性场,得到了对数奇异性的解。给出了尖端附近应力应变场的可能变化范围,及裂纹的开口位移。并对真实解作出了预期。     

某抽水蓄能电站地下洞室围岩岩体质量特征分析

考虑材料的黏性效应建立了II型动态扩展裂纹尖端的力学模型,假设黏性 系数与塑性等效应变率的幂次成反比,通过分析使尖端场的弹、黏、塑性得到合理匹配,并 给出边界条件作为扩展裂纹定解的补充条件,对理想塑性材料中平面应变扩展裂纹尖端场进 行了弹黏塑性渐近分析,得到了不含间断的连续解,并讨论了II型裂纹数值解的性质随各参 数的变化规律. 分析表明应力和应变均具有幂奇异性,对于II型裂纹,裂尖场不含弹性卸载 区. 引入Airy应力函数,求得了II型准静态裂纹尖端场的控制方程,并进行了数值分析, 给出了裂纹尖端的应力应变场. 当裂纹扩展速度($M\to 0$)趋于零时,动态解趋 于准静态解,表明准静态解是动态解的特殊形式.     

在混合硬化材料中I型裂纹定常扩展时的尖端场

本文采用和的混合线性硬化材料塑性本构关系,求得了平面应变与平面应力状态下Ⅰ型定常扩展裂纹尖端附近场的渐近解。Amazigo和Hutchinson的结果相当于本文解当混合硬化参数β=1且略去二次塑性区的情况。本文的数值计算结果表明,混合硬化参数β对尖端场的应力应变分布有着显著的影响。     

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.     

正交异性材料V型切口反对称变形下的尖端场

基于正交各向异性材料弹性平面问题的通解,导出了正交各向异性材料奇异点附近的位移场和奇异应力场的解析表达式,由此给出了反对称变形模态下V型切口尖端附近的位移场和奇异应力场的解析解,通过算例难证,解析解与有限元解吻合得非常好.研究结果表明,正交各向异性材料V型切口尖端附近的应力奇异性不仅与切口的张角有关,还与材料的弹性常数有关.     

理想弹塑性材料平面应力Ⅰ型裂纹尖端的弹塑性场

本文参照文献[1,2,3],重新研究了理想弹塑性材料平面应力Ⅰ型裂纹问题。构造了一种不存在应力间断线的裂纹尖端局部应力场,并导出了塑性区中的奇异塑性应变场。     

纤维端部的界面裂纹分析

基于弹性力学空间轴对称问题的通解,研究了短纤维增强复合材料中纤维端部的轴对称币形和柱形界面裂纹尖端的应力奇异性,得到了裂纹尖端附近的奇异应力场．研究结果表明,这两种轴对称界面裂纹尖端的应力奇异性相同,并且与平面应变状态下相应模型的应力奇异性一致,材料性能对裂纹尖端附近奇异应力场的影响可用三个组合参数描述     

幂硬化可压缩材料Ⅰ型动态裂纹尖端奇异场

研究了平面应变条件下幂硬化可压缩材料中定常扩展的Ⅰ型动态裂纹尖端应力应变奇异场．采用Ｊ２流动理论和场量直角坐标分量，得到了应力应变奇异性不同时的裂纹尖端渐近场，其中场量的角变化规律和理想弹塑性材料的完全相同     

幂硬化可压缩材料Ⅰ型动态裂纹尖端奇异场

研究了平面应变条件下幂硬化可压缩材料中定常扩展的Ⅰ型动态裂纹尖端应力应变奇异场．采用Ｊ２流动理论和场量直角坐标分量，得到了应力应变奇异性不同时的裂纹尖端渐近场，其中场量的角变化规律和理想弹塑性材料的完全相同     

I型定常扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

考虑材料在扩展裂纹尖端的黏性效应，假设黏性系数与塑性应变率的幂次成反比，对幂硬化材料中平面应变扩展裂纹尖端场进行了弹黏塑性渐近分析，得到了不含间断的连续解，并讨论了I型裂纹数值解的性质随各参数的变化规律. 分析表明应力和应变均具有幂奇异性，并且只有在线性硬化时，尖端场的弹、黏、塑性才可以合理匹配. 对于I型裂纹，裂尖场不含弹性卸载区. 当裂纹扩展速度趋于零时，动态解趋于准静态解，表明准静态解是动态解的特殊形式；如果进一步考虑硬化系数为零的极限情况，便可退化为Hui和Riedel的非线性黏弹性解.     

幂硬化弹塑性-刚性界面Ⅲ型定常扩展裂纹尖端的渐近场

对幂硬化弹塑性材料－刚性材料界面上裂纹以定常方式扩展的Ⅲ型问题进行弹塑性渐近分析，给出裂纹尖端的应力，应变和位移场解。通过数值计算，考察了不同Mach数以及裂纹尖端混合参数对场解的构造以及应力，应变分布的影响，为给出合理的断裂准则提供理论依据。     

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。