皮质骨断裂力学行为的实验研究

采用稳态裂纹扩展和疲劳裂纹扩展的实验, 研究了牛皮质骨横向和纵向裂纹扩展的断裂力学行为. 沿着两个方向制备了紧凑拉伸(CT)试件. 由于试件尺寸的限制,采用数值计算方法确定了裂纹尖端应力强度因子与裂纹长度的关系. 在实验中, 采用数字图像相关法精确测定裂纹尖端的位置. 由于裂纹沿横向扩展时有较大的偏斜, 将采用$J$积分测量其断裂韧性. 实验结果表明, 在裂纹扩展的一定范围内, 皮质骨的断裂韧度随着裂纹不断扩展而增大, 即表现出上升的阻力曲线(R-curve)性质.而皮质骨的横向裂纹扩展的断裂韧度要远远大于纵向裂纹扩展的断裂韧度, 表现出各向异性的阻力曲线行为. 在疲劳裂纹扩展中, 纵向疲劳裂纹扩展率要大于横向疲劳裂纹扩展率, 这说明皮质骨具有各向异性的疲劳裂纹扩展性质.      

原状冻土Ⅱ型非线性断裂韧度实验测试研究

由于原状冻土处于自然状态下,其本构关系及水分、温度的分布符合实际状态,而且其实际破坏形式往往是非线性的剪切破坏,所以论文采用了非线性冻土断裂实验模型,对自然状态下的原状冻土进行了断裂破坏实验,着重对Ⅱ型断裂(剪切)破坏的四点弯曲直裂纹试样进行了实验研究.实验过程中改造了四点弯曲实验台,采用着色法测量预制裂纹尺寸.实验原理采用基于能量平衡的方法,利用数据采集系统分别测出了原状冻土四点弯曲试样加力点处位移与力的关系曲线以及相应的非线性参数,推导出裂纹扩展非线性能量释放率计算公式,当试样达到承载极限状况时测试出Ⅱ型断裂试样非线性断裂韧度.同时,提出了修正因子计算非线性断裂韧度的方法,将能量方法测试结果与修正因子方法结果进行了对比,二者基本是一致的.以上提出的冻土Ⅱ型断裂非线性断裂韧度测试方法,及获得的非线性断裂韧度测试结果,为非线性理论研究和工程应用提供了依据.     

采用压缩单裂纹圆孔板确定岩石动态起裂、扩展和止裂韧度

爆炸、冲击、地震等人为或自然灾害不可避免,经常造成大量土木工程设施的破坏,因此岩石在动态载荷作用下的行为受到特别关注.岩石动态断裂韧度是评价岩石抵抗裂纹动态起裂、扩展和止裂性能的材料参数,开展岩石动态断裂韧度测试方法的研究对相关理论基础和实验技术的要求较高.岩石动态断裂韧度分为动态起裂、动态扩展、动态止裂三种,虽然关于动态起裂和动态扩展的研究已有一些成果,对岩石动态止裂的研究仍是一个难题,至今几乎无人问津.研究表明,在分离式霍普金森压杆撞击压缩单裂纹圆孔板岩石试样的I型动态断裂试验中,动态起裂、扩展、止裂的全过程可以由黏贴在压缩单裂纹圆孔板试样上的裂纹扩展计监测,岩石的动态起裂、扩展、止裂韧度可以用实验-数值-解析法确定.特别值得一提的是首次测出了岩石的动态止裂韧度.裂纹扩展计信号还显示,压缩单裂纹圆孔板在止裂后,停止的裂纹还会再次动态起裂、扩展并超出裂纹扩展计的检测范围.从能量的角度分析了动态止裂的过程,指出测试动态止裂韧度时要注意的一些问题.结果显示,岩石动态起裂韧度和动态扩展韧度分别随动态加载率和裂纹扩展速度的增大而增大,岩石动态起裂韧度略大于动态止裂韧度.      

加载角度对层理页岩裂纹扩展影响的实验研究

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对页岩进行冲击实验,研究层理角度对页岩动态断裂过程的影响,在裂尖设置裂纹扩展计,借助高速摄影和数字图像相关（DIC）技术对页岩中心切槽半圆盘弯曲（NSCB）试件断裂的全过程进行研究,得到了不同加载角度下页岩的动态起裂韧度、裂纹扩展速度、断裂过程中应变场和水平位移场的变化规律。实验发现:不同加载角度下,页岩的动态起裂韧度具有显著的各向异性,加载角度与动态起裂韧度呈正相关;加载角度对试样的裂纹扩展速度具有显著影响,与裂纹扩展速度呈负相关;当冲击速度较低时,切槽方向是裂纹扩展的优势方向,而当冲击速度较高时,试样会产生沿层理弱面的次生裂纹,次生裂纹对试样的断裂具有显著影响。     

冲击载荷作用下黑砂岩动态断裂参数的分形修正

基于分形理论研究了偏折裂纹扩展路径对动载荷作用下黑砂岩的动态断裂力学参数的测试误差影响作用,采用传统的分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）实验装置对修正侧开单裂纹半孔板（improved single cleavage semi-circle specimen, ISCSC）试样进行动态冲击实验,随后采用裂纹扩展计进行裂纹起裂时间与裂纹扩展速度等动态断裂力学参数测试,采用分形理论对测试的裂纹扩展速度与动态应力强度因子进行修正,利用实验-数值法对黑砂岩的动态断裂韧度进行计算。研究结果表明,ISCSC构型构件能够有效应用于岩石材料动态裂纹扩展行为的研究,并发生了止裂现象,经分形修正的裂纹扩展速度与动态断裂韧度更接近实际裂纹动态扩展情况,修正前后得到黑砂岩材料的裂纹扩展速度误差为33.51%,动态断裂韧度最大误差为7.68%,说明利用分形理论对动态断裂韧度等动态断裂参数计算更合理。     

白桦材断裂韧度的各向异性性质

木材可视为正交各向异性材料，表征木材抵抗裂纹扩展能力的断裂韧度硒。是木材的基本力学性质之一，它具有明显的各向异性．对白桦材试样断裂韧度硒。测试结果表明，LT试样的断裂韧度明显高于TL，TR试样的断裂韧度，TL和TR试样的断裂韧度相接近．无论哪种试样类型，起裂均发生在裂纹尖端．TL，TR试样裂纹扩展方向与原裂纹初始方向一致，LT试样与前两不同，裂纹沿着几乎平行于纤维的方向扩展．并且含水率对各个方向木材断裂韧度的影响趋势是一致的．     

金属材料三维断裂韧度厚度效应的有限元模拟

随着金属材料大壁厚结构件在工程中的广泛应用,对其断裂韧度的厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值。本研究基于有限元和实验相结合的方法,对金属材料断裂韧度的厚度效应进行预测。首先,通过一组薄壁厚金属材料标准三点弯曲试验得到试样失效时的临界载荷值,并利用内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率。随后,以此临界能量释放率作为裂纹扩展的启裂准则门槛值,通过有限元计算得到不同试样厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律。最后,为了验证有限元模拟结果的准确性,本研究进行了另外两组不同厚度下三点弯曲试样的断裂韧度试验,并将试验结果与有限元结果进行了对比,验证了有限元所模拟的断裂韧度厚度效应的准确性。本研究旨在,通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作,即可实现金属材料断裂韧度的整个厚度效应曲线,为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法,有益于缩减试验成本,为大壁厚工程结构件的失效预测提供依据。     

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。     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。     

冲击加载下巷道内裂纹的扩展特性及破坏行为

为了开展含预制裂纹的巷道模型试样在冲击载荷下的动态断裂响应实验,选用青砂岩作为模型材料制作巷道模型试样,以可调速落锤冲击实验机作为冲击加载装置进行试样的动态断裂实验,分析冲击载荷作用下的巷道内裂纹的扩展规律。采用裂纹扩展计及应变片测试系统监测裂纹的起裂时间、扩展速度及止裂时间,并借助于AUTODYN、ABAQUS有限元数值分析软件对实验模型进行数值模拟,计算裂纹的动态起裂韧度、动态扩展韧度、动态止裂韧度等断裂参数。结果表明:巷道内裂纹在扩展路径过程中存在着明显的止裂现象;采用实验-数值方法能够较好地得出裂纹的起裂韧度、扩展韧度和止裂韧度等参数。另外,对止裂现象进行了初步的分析,讨论了试样内应力反射波与透射波对止裂问题的影响。     

Region dependent fracture resistance behavior of human dentin based on numerical simulation简

Dentin has a hierarchical structure and is composed of numerous tubules whose diameters and densities vary with the distances to the dentin-enamel junction. The unique structure determines the mechanical performance of dentin. In this study, a multiscale model, which is based on the combination of the virtual multidimensional internal bond (VMIB) theory and the Monte Carlo method, is used to simulate the fracture behavior of human dentin. Numerical simulations reveal that human dentin exhibits a graded resistance curve (R-curve). Among the three regions of dentin, superficial dentin shows the strongest resistance to crack propagation, and deep dentin has the weakest resistance. In addition, the predictions of fracture toughness of middle dentin agree well with the experimentally reported values, suggesting that the proposed model can be used to characterize the fracture behavior of human dentin comprehensively and properly.     

Fatigue and fracture of bovine dentin

In this paper, the fatigue and fracture properties of bovine dentin are evaluated usingin vitro experimental analyses. Double cantilever beam (DCB) specimens were prepared from bovine maxillary molars and subjected to zeroto-tension cyclic loads. The fatigue crack growth rate was evaluated as a function of the dentin tubule orientation using the Paris law. Wedge-loaded DCB specimens were also prepared and subjected to monotonic opening loads. Moiré interferometry was used to acquire the in-plane displacement field during stable crack growth, and the instantaneous wedge load and crack length were acquired to evaluate the crack growth resistance and crack tip opening displacement (CTOD) with crack extension. The rate of fatigue crack growth was generally larger for crack propagation occurring perpendicular to the dentin tubules. The Moiré fringe fields documented during monotonic crack growth exhibited non-linear deformation occurring within a confined region adjacent to the crack tip. Both the wedge load and CTOD response provided evidence that a fracture process zone contributes to energy dissipation during crack extension and that dentin exhibits a risingR-curve behavior. Results from this preliminary investigation are being used as a guide for an evaluation of the fatigue and fracture properties of human dentin.     

基于单元破裂的岩石裂纹扩展模拟方法

传统离散元方法在处理破裂问题时, 采用界面上的准则进行判断, 裂纹只能沿着单元边界扩展. 当物理问题存在宏观或微观裂隙时, 在界面上应用准则具有其合理性; 而裂纹沿着单元边界扩展, 使得裂纹路径受网格影响较大, 扩展方向受到限制. 针对上述情况, 可以基于单元破裂的方式, 构建连续- 非连续单元法, 并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟. 该方法在连续计算时, 将单元离散为具有物理意义的弹簧系统, 在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力, 通过更新局部坐标系和弹簧特征量, 可进一步计算块体大位移、大转动, 连续问题计算结果与有限元一致, 同时提高了计算效率. 在此基础上, 引入最大拉应力与莫尔—库伦的复合准则, 判断单元破裂状态和破裂方向, 并采用局部块体切割的方式, 在单元内形成初始裂纹. 裂纹两侧相应增加新的计算节点, 同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系. 按此方式, 裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界, 在扩展方向的选取上更为准确. 最后, 通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验, 模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题, 并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟, 分析裂纹形成与应力—应变曲线各阶段之间的对应关系. 结果表明: 连续—非连续单元法通过单元内部破裂的方式, 可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.      

基于相场法的周期性多孔结构断裂行为研究

周期性多孔结构具有质量轻、比密度低、比强度高、隔音等优良特点, 同时也能很好地满足结构-功能一体化的需求, 在许多领域具有广泛的应用前景. 目前, 对周期性多孔结构在复杂载荷下的力学响应和断裂行为的研究较少. 采用细观力学和相场方法相结合, 基于二维代表性体积单元RVE模型, 施加能实现比例加载的周期性边界条件, 研究周期性多孔结构在复杂多轴比例加载状态下的裂纹萌生位置、断裂模式、承载极限及其变化规律. 本文的数值模拟结果表明: 首先, 周期性多孔结构在竖直方向拉伸载荷作用下, 裂纹均从孔边萌生并沿水平方向同步扩展; 其次, 在双轴载荷作用下, 随着水平载荷的增加, 结构在竖直方向的极限拉伸载荷逐渐增大; 当双轴拉伸载荷等值时, 结构的抗拉强度达到最大, 此时断裂模式呈现为十字正交型开裂; 最后, 面内剪切应力的引入会导致结构的拉伸强度极限降低, 孔边裂纹的萌生位置和扩展路径发生偏移, 裂纹模式从单S型转变为双弧线型, 裂纹向水平位置上相邻的孔洞扩展. 随着水平载荷的增加, 裂纹模式最终转变为斜裂纹, 从孔边对角线位置萌生并沿着45°方向扩展.      

含中心裂纹梯度纳晶金属的数值模拟

梯度纳晶金属由于其微观组织的梯度分布,力学属性也呈现梯度变化,这使得其表现出不同于传统均匀材料的断裂行为．利用材料力学参数的梯度分布来表征梯度纳晶金属中晶粒尺寸的梯度变化,并编写ABAQUS和MATLAB脚本程序建立分层有限元模型．通过数值模拟计算了含有初始中心裂纹的梯度纳晶金属在受远端均匀拉应力作用下的裂尖J积分,分别研究了屈服应力梯度、裂纹角度和裂纹长度对金属材料断裂韧性的影响,并与传统粗晶进行了对比．结果表明梯度纳米结构的存在导致梯度纳晶金属内部的中心裂纹两端表现出不同的断裂韧性,小晶粒一侧裂尖的抗裂韧性优于大晶粒一侧裂尖,且屈服应力梯度绝对值越大,两者差距越大．梯度纳晶金属的断裂韧性受中心裂纹角度和长度变化的影响与传统粗晶金属基本一致,同时在晶粒尺寸梯度的作用下梯度纳晶的裂尖J积分略低于粗晶,即整体上拥有更好的抗裂韧性．