脆性材料裂纹扩展的分形运动学

大量实验结果表明脆性材料裂纹扩展路径是弯弯曲曲的，不规则的，断裂表面粗糙不平，表现出分形特征。本文应用分形几何推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得到了动、静态断裂韧性与分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量δ＿ｃ以及分形维数之间的关系；推导出了裂纹扩展速度的计算公式，得出宏观量测的裂纹扩展速度Ｖ＿０应小于分形裂纹扩展速度Ｖ；并推导出直接根据材料动、静态断裂韧性和裂纹扩展速度Ｖ＿０估算材料裂纹扩展路径的分维计算公式．本文理论分析结果与实验值在定性定量上达到了较好的一致。     

用于三维裂纹扩展分析的有限变形不可逆内聚元

为了能准确和高效的跟踪动态裂纹扩展,我们发展了三维有限变形的内聚元和一系列不可逆内聚力关系.该内聚元通过采用不可逆内聚力关系来控制裂纹两侧物质的逐渐分离和形成自由表面,这一点可类比于传统有限元对块体材料的离散化.为了展示该方法的预测能力及便于灵活使用的特点,我们模拟了Zehnder和Rosakis$^{[1]}$所做的重物落下动态断裂实验,值得注意的是该方法可以近似模拟出裂尖的轨迹.      

脆性材料的扩展裂纹前缘形态与三维J积分

本文利用超声波断口图技术对不同类型的PMMA试件进行了测试。这些试件为承受均匀拉伸或三点弯曲变形的带单侧贯穿裂纹的PMMA板，其中拉伸试件又分为光面和带表面沟槽的两种。得到了这些试件断口上的超声波线。发现它们为平面线．其凸凹方向与试件的表面状态有关。基于有限元法，计算了试件的三维J积分，考察了杨氏模量和泊松比对其的影响．结果发现泊松比影响J积分曲线形状，而杨氏模量只影响其绝对数值，不影响其曲线形状。得到的试件在不同裂纹长度下的三维J积分与它们断口图上的超声波线的形状和凸凹方向相似。说明在脆性材料中，扩展裂纹前缘曲线形态是三维J积分的作用的结果。     

基于DIC的爆炸加载下脆性材料裂纹扩展规律的试验研究

通过数字图像相关法（DIC）,应用PMMA对爆炸加载条件下脆性材料的裂纹扩展规律进行了试验研究。基于对称性试验模型,实现了裂纹尖端位置和应变场信息的同步记录。以此为基础,通过对比分析获知,主应变场应变值最大点不能作为裂纹尖端的判断依据。并以动态裂纹扩展速度为参量,应用断裂动力学和最小二乘牛顿迭代法,计算出了考虑惯性效应的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的应力强度因子:K_Ⅰ和K_Ⅱ值会随着裂纹扩展方向改变而发生突变;K_Ⅰ最大值为2.63 MPa·m1/2,最小值为0.89 MPa·m1/2;其整体变化趋势表明,爆炸加载条件下脆性材料裂纹扩展随能量积聚和释放呈循环阶梯式递减发展。     

岩石变形演化诱致灾变破坏过程的同步实验观测

将试样变形场演化特征与试样的宏观载荷位移曲线的演化特征结合起来研究是揭示非均匀脆性介质变形演化诱致灾变破坏的一个重要途径.本文发展了一套实验系统,通过对试样表面变形场的演化、宏观载荷和位移信号的同步观测,对单轴加载下岩石试样变形演化和灾变破坏的过程进行了实验研究.揭示了试样变形场由加载初期的随机涨落到灾变破坏前出现明显的变形局部化的演化特征现象,试样最终在变形局部化区内形成宏观破裂面.     

广布损伤裂纹扩展试验与数值模拟

对三种开裂模式无钉载平板的广布损伤裂纹扩展试验进行了研究,发现裂纹间的干涉作用明显促进了裂纹的扩展,多裂纹情况下的裂纹扩展速率远大于单裂纹.同时,利用FRANC2D/L计算和分析了单裂纹、多孔相邻裂纹、多孔不相邻裂纹、多孔等长裂纹等四种开裂模式的裂纹扩展行为及应力强度因子分布.结果表明:裂纹扩展初始阶段主要受孔自身应力集中影响,裂纹间的干涉作用弱;随着裂纹扩展到一定长度时,裂纹间的干涉作用显著增大,且随着裂纹间韧带长度的减小而快速增加,与试验结果一致.     

裂纹尖端弹塑性变形的实验测量与有限元计算

用显微网格数字图像处理方法，测量了Ｆｅ－Ｓｉ材料平面应力条件下Ⅰ型单边裂纹尖端附近的应变场，并且用弹塑性有限元程序进行了数值模拟。对实测结果和有限元计算模拟结果进行了对比分析。结果表明：逐级更新拉格朗日坐标体系下的弹塑性有限元计算在裂纹尖端不出现严重钝化和损伤的条件下，可以正确反映裂尖区域的弹塑性变形。在裂纹接近临界扩展时，有限元计算与实测结果之间有较大差别，其原因有待进一步研究。     

基于NMM的EFG方法及其裂纹扩展模拟

数值流形方法（numerucal manifold method,NMM）通过引入数学覆盖和物理覆盖两套系统来统一处理连续和非连续问题. 通过用移动最小二乘插值（moving least squares interpolation,MLS）中的节点影响域构造数学覆盖,得到了基于数值流形方法的无网格伽辽金法（element free Galerkin,EFG）. 该方法在保证前处理简单的同时,又能方便处理如裂纹等不连续问题. 建立了适用于小变形和大变形的裂纹扩展计算格式,并通过对曲折裂纹（kinked crack）的处理,在不加密的情况下实现了任意小步长的裂纹扩展,大大提高了在固定网格中模拟裂纹扩展的实用性. 大小变形的结果对比表明,按照不考虑构型变化的小变形计算,结果可能偏于危险.      

界面裂纹尖端有限变形弹性场的渐近分析

采用完全非线性弹性理论，研究了一类新的可压缩超弹性材料形成的界面裂纹问题，给出了平面应变条件下裂尖场的渐近解．揭示了界面裂纹尖端场的变形特征．     

疲劳裂纹扩展门槛值试验的可靠性分析

本文用30块30CrMnSiA合金铜的CCT试件所测得的ΔK_(th)试验数据检验了随机变量ΔK_(th)的分布特性,确认材料与厚度相同的试件在相同应力比下所测得的ΔK_(th)值基本遵循正态分布。在此基础上对ΔK_(th)试验进行了如下可靠性分析:具有指定可靠度与置信度的ΔK_(th)值,不同材料ΔK_(th)的统计对比,最少试件数。     

钢纤维混凝土力学性能优化与裂纹扩展特性试验研究

为探究复掺钢纤维下混凝土力学性能和裂纹扩展特性,利用云南会泽某深部矿山现场所取的砂、石、水泥等材料制成不同钢纤维掺量的混凝土试样,通过四点弯曲、劈裂拉伸和单轴压缩等试验获取试样抗折、抗拉和抗压强度,并借助数字图像相关技术(DIC)分析试样破坏和表面应变演化特征,优选出钢纤维混凝土配方应用于矿山竖井衬砌支护。同时对观测图像进行形态学处理,求算裂纹长度与裂纹扩展速度。试验结果表明：相较于对照组,添加钢纤维后混凝土试样的抗拉强度提升了46%～83%、抗折强度提升了24%～39%。钢纤维混凝土配方中,三掺钢纤维配方(40kg/m³长纤维,5kg/m³中长纤维,10kg/m³短纤维)对混凝土抗拉、抗折强度提升效果最佳,对残余强度和韧性指数的提升幅度最大。随着钢纤维尺寸种类的增加,试样位移-荷载峰后曲线斜率逐渐降低,同时混凝土试样内部固结后形成金属网结构的孔隙度降低,混凝土试样表面剥落量和裂纹衍生数量不断减少,到达峰值荷载时试样最大主应变降低。随着钢纤维种类增加,混凝土表面裂纹扩展平均速度减缓,相对起裂应力(起裂应力与峰值应力比值)...     

疲劳裂纹形成、扩展统计特性的大子样试验研究

针对疲劳损伤过程的随机性，该文开展了等幅谱大子样疲劳裂纹形成、扩展至破坏全寿命过程的试验研究．在计算确立了裂纹形成、扩展分界工程小裂纹长度的基础上，整理得到了裂纹形成，扩展寿命的统计分布数据．根据断口金相ＳＥＭ观察，进一步定性分析了疲劳条纹分布的相关性特征．     

非共面双裂纹扩展相互作用的试验及模拟

对非共面双裂纹进行了疲劳试验,分析认为其裂纹扩展属于三型复合型裂纹;建立了双裂纹结构有限元模型,通过计算裂纹前端应力强度因子并结合复合型裂纹的扩展特性及断裂准则,对裂纹相对尺寸、相对位置对其扩展的影响以进行了研究。结果表明:当偏移距离与较长裂纹尺寸的比值大于较短裂纹尺寸与较长裂纹尺寸的比值时,裂纹间相互作用较小,对疲劳寿命几乎没有影响;反之裂纹间相互作用较大,将会减少疲劳寿命。     

爆炸荷载作用下模型介质裂纹扩展试验与分析

为研究爆炸载荷作用下裂隙介质裂纹扩展规律,以含人工裂隙的有机玻璃薄板为介质,分别以炮孔中心到人工裂隙垂直距离L和人工裂隙长度D为变量,采用单发雷管爆炸加载试验模型进行试验。试验结果表明,爆炸荷载作用将使裂隙介质形成径向裂纹、翼裂纹、层裂裂纹和似层裂裂纹;人工裂隙能够阻隔径向裂纹的扩展,径向裂纹的扩展对距离L比长度D更敏感;翼裂纹是爆炸绕射波或绕射波与压缩应力波共同作用产生的,翼裂纹的长度随距离L增加而降低;入射压缩应力波与反射拉伸应力波叠加形成的净拉伸应力拉裂介质形成层裂效应、引起径向裂纹弯曲形成似层裂效应,层裂裂纹和似层裂裂纹几乎平行于人工裂隙。研究结果可为裂隙岩体爆破设计、冲击矿压防治和结构工程防护等提供理论依据。     

一种裂纹扩展的有限元仿真分析方法及其实现

为分析含多裂纹体在任意载荷下的断裂过程问题,给出了一种基于有限元的仿真方法及程序.基于商业有限元软件的应力分析结果和合适的断裂力学准则,判断裂纹的扩展以及扩展角;通过对每一个裂纹尖端扩展影响区域进行单元重划分,实现了多裂纹任意扩展的几何描述有限元模型更新.由于只对裂纹扩展区局部进行有限单元更新,网格划分和前期网格结果到新网格的映射的工作量相对较小,典型的裂纹扩展分析实例表明本文方法和程序的有效性.     

界面裂纹萌生与扩展的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法研究了裂纹在界面端处萌生与沿界面扩展的临界条件. 模拟考虑了一双相材料的3种模型,即构成90°/90°和 90°/180°夹角的两个界面端和一个界面裂纹. 模拟采用了包含原子区域与连续区域的并发型多尺度模型,即在界面端尖端和裂纹尖端附近 采用分子动力学(MD)方法,MD区域之外则按照线弹性有限元方法分析. 结果表明,在断裂启动时刻,3个模型沿界面的最大应力均达到界面理想强度;而且,其界 面能恰好足以克服界面材料的本征内聚能. 因此,界面端裂纹萌生与沿界面扩展的断裂条件可以通过界面理想强度和内聚能联系起来. 并基于模拟计算结果提出了界面断裂启动的统一准则.     

岩石偏心圆孔单裂纹平台圆盘的动态裂纹扩展与止裂

针对平台圆环构型的优点, 提出偏心圆孔单裂纹平台圆盘(cracked eccentrically holed flattened disc, CEHFD), 该试样具有更长的断裂路径。利用霍普金森压杆加载系统, 径向冲击CEHFD试样, 完成Ⅰ型动态断裂实验。砂岩试样表面粘贴应变片和裂纹扩展计, 用于监测裂纹动态起裂、扩展和止裂的全过程。实验表明, 在整个断裂过程中, 裂纹非匀速扩展, 裂纹扩展速度在裂纹起裂后加速上升, 在裂纹止裂前有明显的减速, 与地震时断层的动态破裂全过程完全吻合。采用实验-数值-解析法得到动态应力强度因子, 其时间历程呈现先增大后减小的趋势。根据断裂过程不同时刻, 得到相应的动态起裂韧度、扩展韧度及止裂韧度。在动态断裂全过程中, 动态扩展韧度为速度的函数, 变化趋势与速度一致, 随着时间先增大后减小; 动态起裂韧度大于动态止裂韧度, 止裂韧度随着裂纹最大扩展速度的增大而降低, 并且有较大的离散性。

     

拉伸载荷下表面裂纹疲劳扩展规律的试验研究

本文用LY12-R板材进行了表面裂纹疲劳扩展试验。对试验技术及数据处理中的若干同题:铝合金的勾线方法、不勾线的直读法、勾线过程中循环次数的处理、da|dN·dc|dN的计算方法等进行了研究。对拉伸疲劳下的回复现象进行了观察。研究了拉伸载荷下半椭圆表面裂纹的形状变化规律,得到了LY12-R板材的表面裂纹扩展速率并得到了经验关系式da=f(dc)。根据此经验关系式可对疲劳扩展过程中的裂纹深度进行估算,估计值与实测值符合很好。     

高韧性合金钢断裂韧性及疲劳裂纹扩展门槛值的联合试验方法

在柴油机曲轴、连杆等关键零部件的可靠性设计和失效评估中,断裂韧性及疲劳裂纹扩展门槛值分别是衡量材料抵抗裂纹失稳扩展和裂纹开始扩展的重要指标．但是,对于高韧性合金材料,难以通过常规试验所推荐的厚度确定平面应变断裂韧性,而门槛值的测定通常不但非常耗时,且难以直接应用于不同循环特性的实际结构．本文针对高韧性合金钢34CrNi3MoA,提出一种将断裂韧性和疲劳裂纹扩展门槛值试验合二为一的试验方法,即用同一个试件可以同时测定门槛值和断裂韧性．利用断裂韧性关于试件厚度的渐近特性,以几种较薄试件的试验,确定平面应变状态下的断裂韧性．试验结果还表明,裂纹扩展门槛值的试件厚度依存性可以忽略,并给出了任意循环特性（应力比）下的门槛值计算公式．     

粘聚裂纹扩展的强化有限元h型网格自适应模拟

非连续变形分析和非规则节点处理是基于单元细划的粘聚裂纹扩展网格自适应模拟的关键。首先,利用强化有限单元法中数学单元和物理单元分离的特点,通过引入过渡单元,将适用于非连续变形描述的数学模式覆盖法和方便处理非规则节点的物理模式重构法结合,提出了强化有限单元法的统一关联法则,并导出了相应的单元列式。其次,基于数学裂纹尖端影响域和裂尖单元尺寸,提出了基于强化有限单元法的粘聚裂纹扩展过程模拟的h型网格自适应策略。最后,通过两个算例验证了本文方法的合理性和有效性。