各向异性双材料界面裂纹扩展裂尖场

应用界面断裂力学理论和Stroh方法,研究了广义平面变形下动态裂纹沿着各向异性双材料界面扩展时的裂尖奇异应力及动态应力强度因子.双材料界面的动态裂尖区域特性主要由两个实矩阵W和D确定,且裂尖奇异应力和动态应力强度因子可以由包含这两个矩阵的柯西奇异积分方程确定,同时给出了动态应力强度因子和能量释放率的显示表达式.算例得出当裂纹以小速度扩展时,裂尖振荡因子ε与静态时几乎相同,当界面裂纹扩展速度接近瑞利波速时,ε趋于无穷大;同时得出应力强度因子及能量释放率随裂纹扩展速度的变化关系.     

考虑表面弹性效应时正三角形孔边裂纹反平面剪切问题的断裂力学分析

基于表面弹性理论和保角映射技术,研究了远场作用反平面剪切载荷作用下考虑表面弹性效应时正三角形孔边裂纹问题的断裂性能.给出了孔边应力场的精确解,获得了裂纹尖端应力强度因子的解析解答.数值算例中讨论了裂尖应力强度因子随三角形孔尺寸、裂纹长度和表面性能的变化规律.结果表明:当三角形孔的尺寸在纳米量级时,无量纲应力强度因子具有显著的尺寸效应;随着三角形孔尺寸的增大,论文结果趋近于经典断裂理论解答;无量纲应力强度因子随孔边裂纹长度的增加,先增大而后减小;当孔边裂纹长度较小时,表面效应影响较弱;应力强度因子的尺寸效应受表面性能影响显著.     

粘弹性胶层中Ⅰ型裂纹的动态扩展

研究粘弹性胶层中Griffith裂纹在Ⅰ型载荷作用下,裂纹尖端动态应力强度因子和能量释放率的时间响应.首先,利用积分变换方法,推导出粘弹性层的控制方程组;其次,引入位错密度函数,并结合边界条件和界面连接条件,导出反映裂纹尖端奇异性的Cauchy型奇异积分方程组,然后,应用Chebyshev正交多项式化奇异积分方程组为代数方程组,并采用Schmidt方法对其数值求解,最后,经过Laplace逆变换,求得动态应力强度因子和能量释放率的时间响应.通过对材料参数的讨论,得到动应力强度因子和能量释放率随剪切松驰参量的减小而增大,随膨胀松弛参量的减小而减小,弹性参数对其影响较小.     

有限尺寸下双材料界面附近裂纹位置对裂纹尖端的影响

随着复合材料的应用和发展,不同材料组成的界面结构越来越受到人们的重视.界面层两侧材料的性能相异会引起材料界面端奇异性,同时界面和界面附近存在裂纹会引起裂尖处的应力奇异性.因此双材料界面附近的力学分析是比较复杂的.论文建立双材料直角界面模型,在材料界面附近预设初始裂纹,计算了有限材料尺寸对界面应力场及其附近裂纹应力强度因子的影响.运用弹性力学中的Goursat公式求得直角界面端在有限尺寸下的应力场以及其应力强度系数.通过叠加原理和格林函数法进一步得到在直角界面端附近的裂纹尖端应力强度因子.计算结果表明,在适当范围内改变材料内裂纹与界面之间的距离,界面附近裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹与界面距离的增加而减少,并且逐渐趋于稳定.分析结果可以为预测双材料结构复合材料界面失效位置提供参考.     

双压电体界面上的电偶极子和裂纹

求得了压电体双材料界面上的孤立二维电偶极子的解析解,结果表明某点电偶极子激发的应力一电位移场与该点到电偶极子的距离的平方成反比.研究了压电体双材料界面上的电偶极子对裂纹的作用,得到了问题的闭合解.在电偶极子的作用下,界面裂纹裂尖近区应力-电位移仍具有r-1/2+iεα的振荡奇异性,文中求得裂尖应力强度因子,当电偶极子距裂尖距离ρ很近时,裂尖应力强度因子与ρ-3/2-iεα成比例.     

功能梯度条共线Griffith裂纹反平面剪切冲击

研究正交各向异性功能梯度条中多个共线Griffith裂纹的反平面剪切冲击问题．材料两个方向的剪切模量假定按比例同时以特定的梯度变化．采用Laplace和Fourier变换及引进位错密度函数将问题化为求解Cauchy奇异积方程，进而化为代数方程数值求解．考查材料非均匀性、正交性和功能梯度条高度对裂尖动态断裂特性的影响．动应力强度因子的数值结果显示：增加剪切模量的梯度和(或)增加垂直于裂纹面方向的剪切模量，可以抑制动应力强度因子的幅度；若功能梯度条较薄，增大条形域的高度也可抑制裂纹扩展．     

梯度非均匀有限层-基结构界面裂纹动态断裂的数值分析

研究了具有一个界面裂纹的有限尺寸梯度非均匀层-基结构在面内冲击载荷作用下的动态响应问题;提出了分析这类问题的一种数值方法,其核心是计算具有一定宽度的裂缝位移场,通过对到缝端距离及缝宽的双重插值求裂尖处动态应力强度因子。文中对涂层是弹性模量及密度连续变化的梯度非均匀材料,基体是各向同性均匀材料的层-基结构作了具体计算,数值结果清楚地显示出动态应力强度因子的时程变化规律,及有关参数(梯度参数,层厚,层长)对它的影响。     

功能梯度夹层多个环形界面裂纹扭转冲击

研究位于功能梯度层和外部均匀材料之间多个环形界面裂纹的扭转冲击问题,功能梯度材料 (FGM)粘结在两种不同的弹性材料之间,功能梯度层和外部材料之间环形界面裂纹的数目是任意的．引进积分变换和位错密度函数将问题化为求解Laplace域里标准的Cauchy奇异积分方程,进而化为求解代数方程;应用Laplace数值反演技术,计算时域里的动应力强度因子(DSIF)．考查了结构几何尺度和材料特性对裂尖动态断裂特性的影响．数值结果表明,DSIF存在一个主峰,到达主峰后,在其相应的静态值附近波动并最终趋于稳定;增加FGM的梯度能减小DSIF的峰值．     

含预制裂纹L形梁柱试件动态断裂过程

针对含预制裂纹L形梁柱试件,为研究预制裂纹动态扩展的力学特征及其对梁柱试件破坏模式的影响,采用数字动态焦散线实验系统,对距节点核心区不同距离l处含有预制裂纹的试件进行落锤冲击实验,得到预制裂纹的扩展轨迹、速度、动态应力强度因子的变化规律。结果表明,l值增大,扩展裂纹在梁下边缘的贯通点与预制裂纹的夹角逐渐增大,曲裂程度变大。裂纹扩展速度随着l的增大振荡性增强,裂纹扩展平均速度逐渐降低。l值为2 mm时,裂尖表现为Ⅰ型断裂,l值增大,裂尖受到剪应力作用增强,Ⅰ型动态应力强度因子减小,Ⅱ型动态应力强度因子增大,断裂逐渐转变为Ⅰ-Ⅱ复合型。     

三点弯曲试样动态应力强度因子计算研究

利用Hopkinson压杆对三点弯曲试样进行冲击加载,采集了垂直裂纹面距裂尖2mm和与裂纹面成60°距裂尖5mm处的应变信号。根据裂尖附近测试的应变信号计算试样的动态应力强度因子,并与有限元计算结果进行比较,结果表明由于裂尖有一段疲劳裂纹区,通过裂尖附近应变信号来计算动态应力强度因子时,如果裂尖位置确定不准及粘贴应变片位置不够准确对计算结果将带来很大影响。因此利用应变片法计算动态应力强度因子时,为了获得更准确的计算结果,在实验后应对试件裂纹面进行分析测量,重新确定裂尖位置,必要时需对应变片至裂尖距离进行修正后再计算动态应力强度因子值。