冲击载荷下两裂纹间的连通规律

脆性材料内部含有大量裂纹,当某一裂纹扩展时,其他裂纹会对扩展裂纹产生影响。为了研究冲击载荷下,脆性材料内两裂纹的相互影响、连通规律及裂纹尖端应力强度因子的变化规律,利用有机玻璃板制作了含非平行双裂纹的实验试件,利用落板冲击设备进行了中低速冲击实验,结合有限元分析软件ABAQUS计算出裂纹尖端应力强度因子,利用有限差分软件AUTODYN进行了动态数值模拟研究,并将其模拟结果与实验结果进行对比分析。实验及模拟结果表明:裂纹破坏形态与AUTODYN数值模拟破坏形态基本一致;试件的断裂形态随着两裂纹间距不同而不同;裂纹间的相互影响程度随着裂纹间间距增大而减小;裂纹尖端应力强度因子K_I随着裂纹间距的增大而减小,而K_II随着裂纹间距增大而增大。     

含力磁屈服区的压磁材料硬币型裂纹问题研究

本文利用Hankel 变换及Copson 求解方法,得到了在无穷远处磁荷载以及对称力荷载作用下的无限大压磁材料中,硬币型裂纹在裂纹尖端含有环状力磁双屈服区情况下的相关解析解．本文考虑了磁屈服区尺寸小于、大于、等于力屈服区尺寸的三种情况．结果表明：屈服区尺寸不仅与外荷载及材料常数相关,更与力磁屈服区尺寸的相对大小有关;其中,较大尺寸的屈服区仅受同性质单一荷载影响,与材料常数无关;而较小尺寸屈服区受力磁两荷载与材料常数共同影响;裂纹张开位移、磁势跳变均沿裂纹面径向增大而减小;裂尖张开位移、裂尖磁势跳变与材料常数相关,且随外荷载增大而增大．     

周期裂纹和刚性线尖端场干涉效应研究

研究双周期裂纹和刚性线夹杂非均匀材料的反平面剪切问题。基于保角变换技术和椭圆函数理论,获得了问题应力场的全场精确解,给出了裂纹和刚性线尖端应力强度因子的封闭形式解答,讨论了裂纹和刚性线尖端场的干涉效应。数值结果表明：改变水平和垂直分布周期对裂纹和刚性线尖端场影响明显不同;裂纹长度2a逐渐增大时(0≤a/ω1≤0.5),裂纹尖端应力强度因子从1逐渐增大到无限大,而刚性线的尖端场变化不大;刚性线长度2d逐渐增大时(0≤d/ω2≤1),刚性线尖端应力强度因子逐渐减小,而裂纹的尖端场仅略微增大。     

裂纹面受荷载作用的应力强度因子的计算

基于比例边界有限元法计算了裂纹面有荷载作用情况下裂纹尖端的应力强度因子,给出了有限介质裂纹面作用荷载的比例边界有限元方程的基本求解过程.对于随径向坐标任意变化的一类面荷载的积分能够显式计算,不需要引入额外的近似;并将计算结果与解析解和数值结果进行对比,结果表明比例边界有限元法在计算裂纹面作用荷载时的应力强度因子是有效且精确的.此外,该方法可方便地处理各向异性材料裂纹问题,本文给出了正交各向异性矩形盘裂纹面受均布荷载情况的应力强度因子.     

功能梯度压电/压磁双材料的周期界面裂纹问题

研究反平面载荷作用下压电/压磁双材料的周期界面裂纹问题,压电/压磁双材料由有限厚度的功能梯度压电层和功能梯度压磁层粘结而成.为便于分析,假设压电层和压磁层的材料性质沿着裂纹的法线方向呈指数变化,基于分离变量和Hilbert核奇异积分方程方法,获得应力强度因子的数值解.数值算例讨论层厚、周期带长度、梯度参数以及材料参数变动等对应力强度因子的影响.结果发现层厚以及裂纹间距的增大会降低裂纹尖端应力强度因子,梯度参数的改变对应力强度因子也有显著的影响.材料参数变动的讨论发现弹性参数的变动对应力强度因子影响最大,其次为电参数,磁参数的变动对应力强度因子影响最小.     

压电体内孔边裂纹的应力强度因子

本文研究含有Ⅲ型孔边裂纹压电弹性体的反平面问题.根据Muskhelishvili的数学弹性力学理论,并利用保角变换和Cauchy积分的方法,对含有圆孔孔边单裂纹和双裂纹的压电弹性体分别进行了分析.基于电不可穿透裂纹模型,得到了在反平面剪力和面内电载荷的共同作用下裂纹尖端应力强度因子的解析解.最后,通过数值算例,讨论了应力强度因子随裂纹长度变化的规律.结果表明:应力强度因子随着裂纹和孔的相对尺寸的增加而增加,并且单边裂纹的应力强度因子要比双边裂纹的应力强度因子大.     

压电材料反平面运动裂纹的能量释放率与分叉角

用复变函数方法,研究了压电材料中反平面运动裂纹的动态断裂问题,研究表明：介质内的耦合场与裂纹运动速度有关,在裂纹尖端有奇异。应力强度因子与裂纹运动速度无关,与纯弹性结构一致,沿裂纹延长线扩展的动态能量释放率可用应力强度因子表示,而与电载荷无关,裂纹运动的高速度具有止裂作用,在一定条件下,裂纹有扩展成曲线裂纹或分叉的趋势。     

基于权函数法的核主泵飞轮应力强度因子研究

采用权函数法确定了含裂纹飞轮在离心力和接触压力作用下的应力强度因子,计算了在同步转速工况下裂纹尖端应力强度因子的值,并与解析法和有限元法计算结果进行了对比。结果表明:权函数法与解析法的误差在3%以内,与有限元法的误差在1%以内,验证了权函数法计算应力强度因子的准确性高;在结构不变的情况下,权函数法可以快速求解不同载荷条件、不同长度裂纹的应力强度因子。通过控制变量法研究了不同参数对应力强度因子的影响,结果表明,飞轮裂纹尖端总应力强度因子随着裂纹尺寸、旋转转速、飞轮尺寸外径与内径比值的增大而增大。     

滚动接触下的轨道表面三维裂纹研究方法

针对已有的求解三维裂纹的应力强度因子方法工作量大、难以实现复杂的三维模型建立的问题,提出了一种求解广义移动荷载下三维裂纹尖端应力强度因子的普遍方法。采用包络式三维实体建模方法,有效避免了三维裂纹有限元模型网格划分时因受限于拓扑误差容忍而出现网格划分失败的现象;通过MATLAB三维插值施加节点荷载,解决了不规则三维裂纹有限元模型施加复杂空间荷载的难题。计算结果表明:荷载中心距离裂纹中心约4mm时裂纹尖端应力强度因子达到最大值7.41×107Pa·m1/2;轮轨接触疲劳以张开型为主。此外,给出了最大应力强度因子条件下裂纹尖端塑性区的分布及裂纹扩展情况,可为轮轨滚动接触疲劳的研究及设计提供一定的参考。     

I型裂纹尖端约束应力区模型及其解析解

考虑了I型裂纹尖端损伤区域内三种不同的约束应力分布形式,即右三角分布形式(情况A)、均匀分布形式(情况B)、左三角分布形式(情况C),并采用复变函数方法求得了应力强度因子与裂纹张开位移的解析解;在此基础上,通过数值计算得到了应力强度因子和裂纹张开位移随约束应力区长度、约束应力大小以及分布形式的变化规律。研究结果表明:随裂尖材料损伤程度的增加,裂尖损伤区内约束应力减小,应力强度因子和裂纹张开位移增大;约束应力的分布形式对应力强度因子和裂纹张开位移有显著影响;相对于其他区域,约束应力对裂纹尖端区域裂纹张开位移的影响较大。然而,对于裂尖损伤区域的形成与作用荷载、材料性质、构件几何尺寸之间的关系,还需要进行更为深入的研究。     

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。     

矩形压电体中反平面裂纹的电弹性场

基于线性压电理论,本文获得了含有中心反平面裂纹的矩形压电体中的奇异应力和电场。利用Fourier积分变换和Fourier正弦级数将电绝缘型裂纹问题化为对偶积分方程,并进一步归结为易于求解的第二类Fred-holm积分方程。获得了裂纹尖端应力、应变、电位移和电场的解析解,求得了裂纹尖端场的强度因子及能量释放率。分析了压电矩形体的几何尺寸对它们的影响。结果表明,对于电绝缘型裂纹,裂纹尖端附近的各个场变量都具有-1/2阶的奇异性,能量释放率与电荷载的方向及大小有关,并且有可能为负值。     

基于有限元方法的航空发动机叶片应力强度因子计算

为研究叶片裂纹尖端的应力奇异性,以某型航空发动机压气机叶片为例,利用有限元方法研究了叶片裂纹尖端应力强度因子的计算方法,并研究了旋转叶片振动状态下裂尖应力强度因子随裂纹长度的变化规律。建立计算模型时,在裂纹尖端划分了三维奇异单元,在裂尖外围划分了过渡单元。计算结果表明：研究旋转叶片振动状态下的裂尖应力奇异性,仅利用I型应力强度因子就具有足够的精度;对于同一裂纹,绝大多数情况下叶盆面应力强度因子大于叶背面应力强度因子,故研究叶片应力强度因子时只需研究叶盆应力强度因子即可;随着裂纹扩展,叶盆面I型应力强度因子不断增大。本文的研究方法及结论为进一步研究叶片的裂纹扩展规律及损伤容限奠定了基础。     

基于FE/EFG耦合方法的沥青路面裂纹扩展模拟

沥青路面裂纹在行车荷载下的裂纹扩展规律对于沥青路面的设计、维护具有重要的指导意义.通过预切口沥青混合料小梁疲劳试验,利用无网格伽辽金/有限元耦合方法,对沥青路面表面裂纹扩展进行了数值模拟,研究了面层厚度、面层模量、基层厚度、基层模量对裂纹扩展的影响规律.结果显示:随着预切口距离加载中心距离的增大,沥青混合料小梁的疲劳寿命增大,裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子减小,裂纹所表现出的Ⅱ型特性增 强;在沥青路面表面裂纹扩展过程中,应力强度因子经历一个急剧上升,达到一个极值后缓慢下降,然后又缓慢上升,最后急剧增加的过程;随面层、基层厚度的增加,表面裂纹尖端的应力强度因子降低;面层、基层模量对裂纹扩展路径的影响较大.     

动静荷载对邻近巷道裂纹缺陷扰动的模拟实验

为了探究动静组合应力场作用下邻近巷道背爆侧裂纹缺陷的扩展规律,采用动静加载透射式动态焦散线方法进行了模拟实验,并结合裂纹尖端的动态应力强度因子和能量释放率进行了分析。实验结果表明:在动静荷载作用下,邻近巷道背爆侧裂纹缺陷处也成为巷道主要扰动区,且爆炸荷载对背爆侧预制裂纹的起裂起主导作用;p=0.2 MPa时的相同动静组合应力场中,背爆侧预制裂纹的扩展位移差异与裂纹的倾角有关,当θ=75°时,爆炸应力波无法驱动裂纹起裂;在相同爆炸荷载作用下,θ=30°时,较小竖向荷载对裂纹的扩展具有抑制作用,且抑制作用随所施加的竖向荷载增加而增大,当p=0.4 MPa时,裂纹无法起裂;裂纹最终扩展位移,与裂纹尖端动态应力强度因子在极大值上下振荡变化的持续时间,或在裂纹扩展阶段能量释放率积累量,呈正相关。     

压电双材料界面钝裂纹附近螺型位错的屏蔽效应与发射条件

研究了压电双材料界面钝裂纹附近螺型位错的屏蔽效应与发射条件.应用保角变换技术,得到了复势函数与应力场的封闭形式解,讨论了位错方位、双材料电弹常数及裂纹钝化程度对位错屏蔽效应和发射条件的影响.结果表明,Burgers矢量为正的螺型位错可以降低界面钝裂纹尖端的应力强度因子(屏蔽效应),屏蔽效应随位错方位角及位错与裂纹尖端距...     

爆炸荷载对不同距离邻近隧洞背爆侧裂纹影响的模拟试验

利用爆炸加载动态焦散线测试系统,模拟了不同起爆距离L时,爆炸荷载作用于邻近隧洞的全过程;通过分析迎爆侧破坏现象和背爆侧预制裂纹扩展的位移、速度以及裂纹尖端动态应力强度因子曲线的变化规律,研究了不同间距并行隧洞爆破开挖对既有隧洞的影响。试验结果表明:随着L增大,隧洞背爆侧裂纹的最终扩展位移呈先增大后减小的变化规律;裂纹扩展速度曲线的振荡幅值以及频率呈降低趋势,Ⅰ型应力强度因子的变化曲线逐渐趋于平缓,且最大峰值均出现延迟现象,最大峰值所对应的时间点由t=50μs~100μs向t100μs转移;起爆距离L从50mm增大到60mm时,裂纹扩展的位移、速度曲线以及应力强度因子曲线出现显著变化;而小于50mm或大于60mm时,它们分别呈相似性变化。研究结果可为现场试验确定邻近隧洞爆破开挖的距离L提供参考。     

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。本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。     

界面裂纹问题中的通用权函数法

热载荷和机械载荷共同作用下复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处.传统求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子的数值方法(如有限元、边界元法等),计算工作量大、效率低.通用权函数与时间无关,运用通用权函数法可以免除对每个时刻的应力分析,计算效率可得到很大提高.本文将通用权函数法推广到求解热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子过渡过程的问题中,推导出求解平面双材料界面裂纹问题应力强度因子的通用权函数法计算格式.基于此格式,计算热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子.通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到与相互作用积分法相当的工程应用精度.最后,应用此方法研究了热障涂层受热冲击及表面力共同作用时裂纹长度以及涂层厚度对应力强度因子的影响.结果表明:在一定边界条件下,当热障涂层中存在边缘裂纹时,随着涂层厚度的增加,更容易导致裂纹的扩展和涂层的剥落.     

功能梯度压电材料反平面裂纹问题

基于三维弹性理论和压电理论，导出了材料系数在横观各向同性平面内梯度分布的压电体的状态方程，进而对材料系数指数函数规律分布的半无限大压电体中的反平面裂纹问题进行了求解，利用Fourier变换给出了半无限大压电体中位移，应力，电势及电位移的解析表达式，并求得了裂纹尖端的应力强度因子和电位移强度因子，分析了不同的非均匀材料系数及几何尺寸对它们的影响。