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。     

相变增韧陶瓷Ⅲ型裂纹增韧分析

本文采用压力敏感相变准则和权函数法对相变增韧陶瓷Ⅲ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:相变体积膨胀对增韧无贡献,裂尖屏蔽来自于晶格剪切和裂纹扩展尾区的贡献。     

相变增韧陶瓷Ⅱ型裂纹增韧分析

本文采用压力敏感和权函数法，对相变增韧陶瓷Ⅱ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性屏蔽的理论表达式，结果表明；相变对静止裂纹无增韧效应，纹尖端屏蔽来自于裂纹扩展尾区的贡献。     

含弧形裂纹复合陶瓷强度的尺度效应

认为含弧形裂纹复合陶瓷由随机方向的三相胞元与有效介质构成,用细观力学的方法研究了复合陶瓷的损伤失效和强度。首先确定三相胞元的外载应变,再依据复合陶瓷在损伤过程中的细观应力场和广义热力学力,计算出三相胞元内基体和颗粒的损伤等效应力,当基体和颗粒的损伤等效应力分别等于两者的极限应力时,得到基体和颗粒的破坏应力。然后,根据混合型应力强度因子计算弧形裂纹扩展时的能量释放率,进而得到界面的破坏应力。最后综合考虑基体、颗粒和和界面损伤影响,获得含弧形裂纹复合陶瓷的宏观强度及其尺度效应。     

含随机分布微裂纹的相变颗粒增韧陶瓷材料的强度和刚度预报

本文针对相变颗粒增韧陶瓷基复合材料中存在大量微裂的现象，分析了微裂纹产生的原因，利用作者改进的等效平杂理论，研究了相变陶瓷中微裂纹对材料强度与刚度的影响，通过与Ａｌ２Ｏ３／ＺｒＯ２陶瓷的三点弯曲实验结果的比较表明，理论与实验结果十分接近，说明本文理论模型是合理的，同时也证明了微裂纹对相变陶恣材料的重要影响。     

NiTi形状记忆合金裂纹尖端热力耦合行为研究

本文对NiTi形状记忆合金I型裂纹尖端热力耦合行为进行了数值仿真分析和实验验证。建立了包含相变和热力耦合的本构模型,通过有限元计算得到了裂纹尖端附近的纵向应变、马氏体体积分数和温度场分布,依据马氏体相变情况对裂纹尖端有效应力强度因子进行了修正,揭示了加载速率对形状记忆合金裂纹尖端有效应力强度影子的影响规律。参数研究表明,随着加载频率的增加,裂纹尖端附近温度逐渐升高,马氏体相变区域逐渐缩小,有效应力强度因子呈下降趋势,形状记忆合金表现出增韧效应,有助于减缓裂纹扩展。本研究结果对于揭示热力耦合作用下超弹性形状记忆合金疲劳裂纹扩展规律具有重要参考意义。     

结构增韧材料在裂纹扩展中的韧度增值

本文分析了由裂纹扩展过程中形成的耗能尾区和桥联段所产生的增韧效应。根据对扩展裂纹的能量积分的贡献,结构增韧材料在裂纹扩展中的韧度增值机制可分解为:尾区体膨胀塑性增韧;尾区剪切屈服带增韧;裂纹面夹杂第二相桥联;未贯穿裂纹的基体桥联。本文结合结构高分子材料和短纤维复合材料等材料体系进行了具体的增韧分析计算。     

共晶基陶瓷复合材料的断裂韧性

应用细观力学方法研究了由具有随机尺寸和方位的棒体共晶体构成的共晶基陶瓷复合材料的断裂韧性.首先根据棒状共晶体的细观结构特性,考虑共晶体边界处的微观滑移确定共晶陶瓷复合材料的开裂应力,当外载荷达到开裂应力时,裂纹开始扩展.然后分析裂纹表面处的棒状共晶体桥联力使裂纹产生闭合效应,减小裂纹尖端的应力集中,建立棒状共晶体桥联增韧机制;再依据棒状共晶体拔出过程中摩擦力做功,建立棒状共晶体拔出增韧机制.最后在棒状共晶体的桥联与拔出增韧机制的基础上,得到了共晶基陶瓷复合材料断裂韧性的理论表达式.结果表明共晶基陶瓷复合材料的断裂韧性与棒状共晶体的长径比密切相关.     

压剪复合冲击下氧化铝陶瓷的剪切响应实验研究

通过对92.93%氧化铝陶瓷进行倾斜板碰撞实验,研究了多晶陶瓷材料在压剪复合冲击下的非弹性变形响应和剪切波传播规律。压剪复合冲击实验由57 mm开槽气体炮驱动铜飞片对陶瓷靶板加载,通过试件内埋植的电磁速度计来测量内部质点速度历程。将纵向粒子速度从感应电动势曲线中分离后得到横向粒子速度历程,发现在压剪复合冲击下由于材料剪切刚度的降低而引起的剪切波衰减。冲击软回收试件的扫描电子显微镜（SEM）观察表明,冲击载荷低于屈服强度时,多晶氧化铝陶瓷中存在沿晶界、气孔的微裂纹成核与扩展,在高于屈服强度的冲击加载下进一步产生了穿晶微裂纹,微裂纹系统导致了材料在卸载后的显著的体积膨胀。     

裂纹面摩擦接触引起的断裂韧性增长的研究

采用弹黏塑性的材料本构关系, 建立了压、剪混合型裂纹常速准静 态扩展的力学模型, 求得了裂纹面摩擦接触条件下裂纹尖端场的数值解, 并基于数 值结果讨论了扩展裂纹的摩擦效应. 计算和分析表明, 裂纹面的摩擦效应主要表现 在两个方面. 第一方面是摩擦会导致裂纹尖端区材料的断裂韧性增高, 并且裂纹面间的摩擦作用越强, 增韧效果越显著. 摩擦增韧的机制可以解释为裂纹 面间的摩擦作用导致裂纹尖端塑性区尺寸变大, 使裂纹尖端场的塑性变形能增加, 从而使得裂纹尖端区材料增韧. 摩擦生热并不是导致材料断裂韧性增长的根本机制. 第二方面是摩擦会导致``断裂延缓'. 利用裂纹面的摩擦来提高构件的承载能力和延长构件的服役寿命具有较大的工程实用价值.     

陶瓷增韧力学中的相变准则

本文对相变增韧陶瓷材料提出两个相变准则:(1)体膨胀—剪切应变能相变准则,(2)最大正应变相变准则,并导出Ⅰ型应力—应变场诱发相变的增韧表达式。由此得出的理论增韧值与目前已有的相变准则相比,大大接近实测值。特别是能量型准则,所得结果能覆盖以实验为基础的Chen准则的结果。     

超临界相变陶瓷的韧性增值

采用近似方法研究应力非奇异项对小范围相变条件下超临界相变陶瓷韧性增值的影响。材料相变屈服准则包含了体膨胀和剪切应变的作用。文中给出了韧性增值的估算公式。结果表明：非奇异项的影响是显著的，相变增韧值存在尺寸效应，并且相变剪切效应增强会使韧性增值有所提高。对相变陶瓷的断裂韧性测试有一定的指导意义     

平面应力裂纹稳态扩展的弹塑性大变形有限元分析

本文根据平面应力弹塑性断裂的带状颈缩区模型,以裂纹顶端颈缩区的相对伸长达到材料延伸率作为裂纹扩展的准则,采用塑性大变形的基本方程和有限元方法,计算了含中心裂纹的铝合金薄板在均匀拉伸作用下的裂纹稳态扩展过程,计算结果与实验结果符合很好。     

非均匀铁弹畴变对离面极化压电陶瓷应力强度因子的影响研究

基于文献中报道的试验结果，本文考虑非均匀的畴变过程区，它包含一个位于中心的饱和区和环绕饱和区的渐变区．为了描述外加应力引起的部分铁弹畴变，本文采用一个显式的基于最小能量原理的非均匀畴变准则．考虑离面极化的压电陶瓷，假设其初始极化矢量平行于离面方向．畴变后的电畴位于面内，具体方位由最大释放功来确定．基于非均匀畴变准则，本文给出了裂尖处非均匀畴变区几何及畴变体积分数的分布．并在静止裂纹和稳态扩展裂纹两种特殊情况下计算了铁弹畴变对裂尖处应力强度因子的影响．结果表明：(1) 静止裂纹尖端处的畴变减小了材料的起裂强度；(2) 准静态稳态裂纹附近的畴变增加了材料的断裂强度．且理论预测的R曲线渐近值与试验结果定量吻合．     

单轴拉伸条件下脆性岩石微裂纹损伤模型研究

利用断裂力学、损伤力学和均匀化原理,对脆性岩石单轴拉伸条件下的力学特性进行分析,建立了脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.首先对岩石内部微裂纹的统计分布规律进行分析,给出了理论分析过程中微裂纹分布的假设条件,在此基础上,参考已有研究成果,得到含细长微裂纹脆性岩石有效弹性参数的计算公式.然后,对岩石内部单一微裂纹进行断裂力学和损伤力学分析,得到了扩展裂纹尖端的应力强度因子计算公式,在一定微裂纹断裂扩展准则和断裂扩展速率的假设基础上,利用积分原理,得到了岩石整体的损伤变量和损伤演化方程,由此建立单轴拉伸条件下脆性岩石的微裂纹损伤本构模型.最后,通过一花岗岩的单轴拉伸试验结果对微裂纹损伤本构模型进行了验证.     

CRACK INTERACTING WITH AN INDIVIDUAL INCLUSION BY THE FRACTURE CRITERION OF CONFIGURATIONAL FORCE

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂（圆孔、软夹杂、硬夹杂）干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45°时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

压缩载荷作用下岩石的细观损伤和塑性研究

建立岩石微裂纹扩展的细观力学模型,研究了岩石的细观损伤和塑性性质.压缩载荷下微裂纹尖端翼裂纹稳定扩展表征岩石的细观损伤,采用应变能密度准则求解复合型断裂的翼裂纹扩展长度,微裂隙统计的二参数Weibull函数模型反映绝对体积应变对微裂纹分布数目影响,进而用翼裂纹扩展所表征的应力释放体积和微裂纹数目来表示含有微裂隙的岩石损伤演化变量;宏观塑性屈服函数采用Voyiadjis等的等效塑性应变的硬化函数,反映了塑性内变量对硬化函数的影响;建立岩石模型的本构关系及其数值算法,并用回映隐式积分算法编制了模型的本构程序.分析弹塑性损伤模型的围压对岩石损伤的影响,并从围压和短微裂隙长度等因素分析模型的岩石的损伤和宏观塑性特性.     

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.