CTS试样I/II混合型断裂特性数值计算研究

采用CTS试样研究I/II混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用。文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切（CTS）试样在I/II平面混合型加载下的裂纹扩展行为。采用ANSYS建立CTS试样I/II混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样-销-扇型夹具以及扇型夹具-销-U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析。通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性。采用最大环向应力准则（MTS）,模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因。结合文中计算结果,在CTS试样I/II混合型裂纹扩展速率实验测得裂纹长度与寿命的关系曲线a-N的基础上,便可得到材料I/II型混合型裂纹扩展速率曲线。     

广义平均形状改变能密度断裂准则及应用

基于形状改变能为材料起裂扩展控制参量的物理事实及裂纹尖端断裂控制区能量平均概念,提出了计及裂纹尖端应力场特征级数展开奇异项和常数项的广义平均形状改变能密度(GADSED)准则,建立了 Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ混合型裂纹断裂判据计算式,为工程结构疲劳断裂评估提供了新选择.基于提出的GADSED准则,系统分析了T应力对裂纹断裂判据的影响...     

CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性数值计算研究

采用CTS试样研究Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用.文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切(CTS)试样在Ⅰ/Ⅱ平面混合型加载下的裂纹扩展行为.采用ANSYS建立CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样-销-扇型夹具以及扇型夹具-销-U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析.通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性.采用最大环向应力准则(MTS),模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因.结合文中计算结果,在CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹扩展速率实验测得裂纹长度与寿命的关系曲线a-N的基础上,便可得到材料Ⅰ/Ⅱ型混合型裂纹扩展速率曲线.     

含弧形微裂纹相变复合陶瓷增韧分析

弧形微裂纹是复合陶瓷内的常见现象,含少量弧形微裂纹复合陶瓷比无裂纹复合陶瓷的韧性更好,而粒子相变能够提高陶瓷的断裂韧性已经得到普遍承认.本文考虑粒子相变与弧形微裂纹的联合效应,建立含弧形微裂纹相变复合陶瓷的混合型裂纹增韧模型.首先应用压力敏感准则和应变能释放率断裂准则,对含弧形微裂纹复合陶瓷的增韧效应进行了理论预测;然后采用权函数法推导出混合型裂纹的增韧结果,分别给出了静止裂纹和稳态扩展裂纹相变塑性屏蔽的理论表达式;最后根据相变区域与弧形微裂纹相之间的关系,分析增韧结果的尺度效应.结果表明:相变对静止裂纹无增韧作用;相变对稳态扩展裂纹的增韧结果除与材料弹性模量、相变尾区高度和相变粒子的体积分数有关外,还与复合陶瓷的颗粒直径和弧形微裂纹的体积分数有关.     

基于不连续场修正权的无网格断裂分析

本文采用了一种基于不连续场修正权函数的无网格方法来处理二维平面问题中的有限长裂纹。相较于目前常用的无网格裂纹不连续性处理方案,采用修正权函数处理裂纹附近不连续场时只需要对原权函数进行修正,算法简便易实现。本文采用基于不连续场修正权函数的无单元Galerkin方法（EFGM）,对在边界上施加I-II混合型裂纹位移场的斜裂纹板进行了数值分析。并与可视性准则、衍射法和透射法等不连续准则对比了裂尖位移场、应力场和应力强度因子解的数值精度。另外,本文还对这四种不连续准则形函数的计算效率进行了分析和比较。     

Ⅱ-Ⅲ混合型裂纹相变增韧分析

本文采用压力敏感准则和松函数法对相变增韧陶瓷Ⅱ-Ⅲ混合型裂纹的增韧效应进行了理论预测。分别给出了静止裂纹和定常扩展裂纹相变塑性屏蔽的理论表达式。结果表明：相变对静止裂纹有甚微的负屏蔽效应，并随KⅢ/KⅡ的比值而波动；相变对定常扩展裂纹的增韧结果除与材料弹性模量、相变尾区高度和相变体积分数有关外，还与KⅢ/KⅡ的比值有关。     

Ⅰ—Ⅲ混合型裂纹相变增韧分析

本文采用压力敏感准则和权函数法对相变增韧陶瓷Ⅰ－Ⅲ混合型裂纹的增韧效应进行了理论预测。分别给出了静止裂纹和定长扩展裂纹相变塑性屏蔽的理论表达式，结果表明：相变对静止裂纹有负屏蔽效应，并随ＫⅢ／ＫⅠ比值的增大而趋于零，对扩展裂纹的增韧结果除与材料的弹性模量，相变尾区高度和相变体积分数有关外，还与ＫⅢ／ＫⅠ的比值有关。     

陶瓷相变对Ⅰ—Ⅱ混合型裂纹增韧的理论分析

采用压力敏感准则和权函数法对相变增韧陶瓷I－II混合型裂纹的增韧效应进行了理论预测,分别给出了静止裂纹和定常扩展裂纹相变生屏蔽的理论表达式,并通过计算机进行了数值计算,结果表明：相变对静止裂纹有负屏蔽效应,并随KII/KI的比值增大而增大,对定常扩展裂纹的增韧结果除与材料弹性模量,相变尾区高度和相变体积分数有关外,还随KII／KI的比值增大而增大,说明相变对II型裂纹的增韧作用比对I型裂纹的增韧作用更显著。     

压-剪混合型定常扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

假定黏性系数与塑性等效应变率的幂次成反比，考虑其黏性和裂纹面摩擦接触效应 建立了压-剪混合型定常扩展裂纹尖端弹黏塑性场的渐近方程，求得了裂纹尖端场不含应力、应变间 断的数值解. 并讨论了压-剪混合型裂纹数值解随各个参数的变化规律，计算结果 和分析表明，压-剪混合型裂纹尖端场是满塑性的，不含有弹性卸载区，黏性效应是研究扩展裂纹尖端场时的一个重要因素. 无论混合裂纹趋近I型还是趋近II型，静水压力随摩擦系数的增加都是增加的,裂纹面摩擦 效应是阻止裂纹扩展速度的因素，且摩擦作用越强，裂纹尖端场的韧性越高.     

陶瓷基复合材料基体唇形裂纹失效规律研究

建立横向拉伸载荷下的唇形裂纹数学模型,采用复变函数的方法,通过保角映射,推导了唇形裂纹尖端应力场和位移场的解析解,建立了唇形裂纹的应力强度因子准则和最大能量释放率准则,结合算例分析陶瓷基复合材料基体唇形裂纹的几何参数、外载荷和纤维分布对失效准则的影响规律.结果 表明,(1)裂纹尖端应力场和位移场的解析解与有限元计算结果进行对比,验证了方法的有效性;(2)相较于Griffith裂纹和椭圆裂纹,基于唇形裂纹的失效准则对裂纹尖端的敏感性更高,适用于预测脆性陶瓷基体裂纹的扩展;(3)对于不同几何参数的唇形裂纹,采用最大能量释放率准则的基体裂纹的扩展速率要大于应力强度因子准则.     

求解混合型裂纹应力强度因子的围线积分法

本文用复变函数理论推导出裂纹的辅助场，并用Betti功互等定理给出求解混合型裂纹应力强度因子的远场围绕积分法．此方法与积分路径的选择无关，用有限元法计算出远离裂纹尖端的位移场和应力场，就可通过计算绕裂端的围线积分，精确地给出混合型裂纹的应力强度因子KⅠ和KⅡ的数值解．     

三维斜置半圆形表面裂纹扩展数值模拟

以裂纹前沿局部坐标中主法平面内的最大周向拉应力作为控制参数,对第一主应力拉应力裂纹扩展准则进行了补充和修正.修正后的拉应力裂纹扩展准则称为最大周向拉应力裂纹扩展准则.它不仅可以有效地确定裂纹扩展方位、扩展方向和扩展条件,而且可以有效地确定裂纹扩展步长.根据修正的裂纹扩展准则,给出了三维裂纹曲面的数学描述方式,可以有效地模拟扩展曲面的弯折和扭曲.     

求解混合型裂纹应力强度因子的围绕积分法

本文用复变函数理论推导出裂纹的辅助场，并用Ｂｅｔｔｉ功互等定理给出求解混合型裂纹应力强度因子的远场围绕积分法，此方法与积分路径的选择无关，用有限元法计算出远离裂纹尖端的位移场和应力场，就可通过计算绕裂端的围线积分，精确地给出混合型裂纹的应力强度因子Ｋ１和Ｋ１的数值解。     

复合型裂纹断裂的新准则

以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹为研究对象,对裂纹尖端的塑性区分布规律进行了理论分析。引入两组评价裂纹尖端应力场对裂纹扩展影响的参数,考虑裂纹尖端存在的局部塑性变形,并采纳如下两个假设,(1)裂纹沿最短路径穿过塑性区向弹性区扩展,(2)当在扩展方向上的弹塑性边界极半径r大于其临界极半径rC时,裂纹开始扩展。在此基础上,导出了新的复合型裂纹断裂准则,并与现有部分断裂准则及实验结果进行了对比。结果表明：新建立的复合裂纹断裂准则与实验结果吻合程度非常高。最后,阐明了以单一KIC或KIIC建立的复合裂纹扩展准则的局限性以及考虑裂纹尖端当前应力场的必要性。     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等σθεθ线面积断裂准则

为了研究构件中的复合型裂纹开裂角和裂纹扩展临界值,根据Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端附近等σε线所围成的面积大小的变化,提出了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂等θθσε线面积断裂准则,推导了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展的开裂角公式和断裂扩展准则表达式,结果表明纯Ⅱ型裂纹的0θ及断裂韧度比θθKⅡ/c KⅠc随泊松比的增大而降低.同时给出了Ⅰ-Ⅱ复合型等θθσε线面积断裂准则的理论预测曲线,并与部分实测值进行了对比分析,与其他准则以及试验数据对比分析表明:本准则的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂准则公式推导简单,工程应用方便;其理论预测值与现有部分材料的实验值相比误差在12%以内,表明本文提出的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等θθσε线面积断裂准则可以应用于部分材料的复合型断裂问题分析.     

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.     

复合型裂纹扩展的应变能准则

现有的复合型裂纹扩展准则主要可分为两大类,一是以裂纹扩展前的应力-应变场为基础,二是基于能量平衡观点的能量释放率理论.例如,最大切向应力准则,最大主切向应力准则,最大切向应变准则和应变能密度准则都属于前者;Griffith-Irwin能量准则则属于后者.所有的这些准则几乎都假设裂纹扩展将沿着以裂纹尖端为中心的射线方向,并且在此方向上的某个基本函数存在着一个极值,当此极值达到临界值时,裂纹开始失稳扩展.这些准则的着眼点都是只考察裂纹尖端附近某一点处的某个力学参量(如应力、应变、应变能密度或能量释放率等)的变化.本文所考察的则是裂纹尖端周围某一特定区域内总应变能的变化.     

表面裂纹准静态扩展的有限元模拟计算

由于现有断裂准则未能考虑表面裂纹前沿各点实际断裂阻力的变化，所作的表面裂纹准静态扩展模拟计算不能很好地预测几何形貌的真实变化规律。本文提出了一个考虑应力状态不同对实际断裂阻力影响的变阻力断裂准则；并以该准则作为表面裂纹前沿局部断裂扩展的判据，通过三维有限元法进行了表面裂纹准静态扩展的模拟计算；还将模拟预测值与用多试件法测得的实验值进行比较，验证了变阻力断裂准则作为裂纹稳态扩展判据的有效性     

T应力对光弹性条纹影响的理论分析

以裂尖弹性应力场的多参数模型为基础,研究I型、II型以及I/II混合型裂纹参数对光弹性条纹的影响. T应力的存在和符号影响着等色线条纹环的半径大小和旋转方向,对于纯I型或II型裂纹而言,条纹环的旋转角度只与T应力有关;而对于I/II混合型裂纹,条纹环旋转角度与K_{\rm I}, K_{\rm II}和T应力有关. T应力的存在使得I型裂纹在裂尖±π/3方向上出现2个各向同性点(T应力为正时),使得II型裂纹在裂尖后的裂纹面上出现1个各向同性点. 对于I/II混合型裂纹而言,当T应力为正时等倾线出现距裂尖半径不等的3个各向同性点;反之, T应力为负时在裂尖后只存在1个各向同性点,这些各向同性点分别与I型和II型裂纹情况具有相同的规律.      

表面裂纹准静态扩展的有限元模拟计算

由于现有断裂准则未能考虑表面裂纹前沿各点实际断裂阻力的变化，所作的表面裂纹准静态扩展模拟计算不能委好地预测几何形貌的真实变化规律。本文提出了一个考虑应力状态不同对实际断裂阻力影响的变阻力断裂准则；并以该准则作为表面裂纹前沿局部断裂扩展的判据，通过三维有限元法进行表面裂纹准静态扩展的模拟计算。