数字梯度敏感方法及其在航空透明件断裂力学中的应用

本文将数字梯度敏感方法用于航空透明件断裂力学问题研究。首先,基于透明材料的弹性-光学效应,建立了透明件应力状态与光线穿过透明件后的偏转角之间的关系。在平面应力假设下,利用最小二乘拟合建立了I型裂纹尖端应力强度因子与光学偏转角的关系。其次,通过数字梯度敏感方法搭建非接触光学测试平台,开展了带单边裂纹的航空有机玻璃试件三点弯曲实验,应用数字梯度敏感方法提取了I型裂纹尖端应力强度因子。最后,通过选择不同计算子区域和步长大小,分析了数字梯度敏感方法中的子区域和步长选择对计算结果的影响。研究结果表明,数字梯度敏感方法实验所得应力强度因子与经验公式计算所得结果偏差小于10%,通过增加最小二乘拟合项数以及合理的子区域和步长选择可以减小数字梯度敏感方法计算应力强度因子误差。     

一种基于应变梯度监测Ⅰ型裂纹的方法

基于线弹性断裂力学中I型裂纹的欧文解答,解析推导了在单向拉伸作用下无限大平板中I型裂纹尖端应变梯度场,建立了应变梯度与裂纹扩展之间的关联;基于挠曲电效应建立了电极化强度与应变梯度之间的力电耦合关系,提出了一种利用应变梯度传感器监测I型裂纹的方法,获知裂纹尖端坐标和裂纹扩展长度.本研究拟为应用应变梯度传感器对工程结构中裂纹扩展的实时监测提供初步的理论依据及方法.挠曲电感应技术在结构健康监测领域前景广阔.     

用数字圆栅技术研究橡胶类材料I型断裂问题

采用数字云纹技术对橡胶类材料的大变形断裂力学问题进行了实验分析.提出了数字圆环栅和射线栅技术,给出了该技术的测量原理和方法.应用此技术对橡胶薄板材料的I型断裂的裂尖变形场进行了测量,给出了极坐标系下的实验径向位移场ur和环向位移场uθ的分布图,对实验结果进行了详细的分析,并结合大变形断裂的分区理论模型进行了比较与讨论.     

功能梯度板条断裂分析

现存文献关于功能梯度材料断裂问题的研究大都假设材料性质为坐标的指数函数或幂函数,而对其它函数形式较少采用。本文假设功能梯度材料剪切模量为坐标的双曲函数,而泊松比为常量,研究功能梯度板条的混合型裂纹问题。利用Fourier积分变换技术将混合边值问题转化为一对奇异积分方程,通过数值求解奇异积分方程获得含裂纹功能梯度板条分别在剪切和法向载荷作用下的I型和Ⅱ型应力强度因子,并讨论了材料的非均匀性和裂纹相对尺寸对裂纹尖端应力强度因子的影响。     

含裂纹体蠕变断裂理论及其应用研究

评介了蠕变断裂力学研究概况．着重论述含裂纹材料与结构的蠕变断裂、蠕变损伤、蠕变疲劳裂纹扩展和寿命预估等方面研究的近期进展．从中介绍蠕变断裂力学的研究途径、方法及其广阔的工程应用前景      

功能梯度材料断裂行为实验研究

功能梯度材料作为一种新型材料在众多领域中有着重要的应用价值,其断裂问题是固体力学与材料科学共同关注的课题. 目前,功能梯度材料断裂力学研究工作主要集中在理论分析和数值模拟两方面,实验研究相对较少,其中的大部分实验工作只关注功能梯度材料的宏观断裂性能,而缺乏对其微观断裂机理的研究.本文对近10年来功能梯度材料断裂行为的实验研究的进展予以介绍和评述.首先介绍了可应用于功能梯度材料断裂行为研究的实验方法,然后介绍了相关实验工作的进展和取得的成果,最后分析了实验工作的不足之处,从实验研究角度提出了下一阶段功能梯度材料断裂行为的研究重点.      

用数字圆栅技术研究橡胶类材料I型断裂问题

采用数字云纹技术对橡胶类材料的大变形断裂力学问题进行了实验分析。提出了数字圆环栅和射线栅技术，给出了该技术的测量原理和方法。应用此技术对橡胶薄板材料的I型断裂的裂尖变形场进行了测量，给出了极坐标系下的实验径向位移场ur，和环向位移场uθ。的分布图，对实验结果进行了详细的分析，并结合大变形断裂的分区理论模型进行了比较与讨论。     

求解I型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.      

动态断裂理论和实验研究进展

本文介绍和评述了动态断裂力学在理论和实验研究方面的现有进展,特别是近年来对材料非线性和动态效应对裂纹扩展及其稳定性的影响的研究以及实验测试技术的现状和问题的研究,并对今后的研究方向提出了作者的看法.     

双材料界面断裂力学模型与实验方法

纤维增强聚合物(FRP)质轻、高强, 可提高结构的刚度、强度、抗震性能和耐久性, 近年来在结构加固及工程改造中得到广泛应用. FRP与传统复合材料之间形成双材料黏结界面, 界面断裂特性是决定双材料结构性能的关键因素. 对双材料界面裂纹尖端应力场理论、界面裂纹模型、黏结界面I型、II型及混合型断裂试验及理论研究现状进行综合评述和分析. 界面模型主要有经典梁/板理论和刚性节点模型、考虑剪切变形的双亚层理论和半刚性节点模型、基于双亚层理论的柔性节点模型、考虑剪切变形的多层亚层理论和多亚层柔性节点模型、弹性地基梁模型以及黏聚模型. 还介绍了双材料界面断裂力学在FRP-混凝土研究中的应用.      

Fracture investigation at V-notch tip using coherent gradient sensing (CGS)

Local deformation field and fracture characterization of mode I V-notch tip are studied using coherent gradient sensing (CGS). First, the governing equations that relate to the CGS measurements and the elastic solution at mode I V-notch tip are derived in terms of the stress intensity factor, material constant, notch angle and fringe order. Then, a series of CGS fringe patterns of mode I V-notch are simulated, and the effects of the notch angle on the shape and size of CGS fringe pattern are analyzed. Finally, the local deformation field and fracture characterization of mode I V-notch tip with different V-notch angles are experimentally investigated using three-point-bending specimen via CGS method. The CGS interference fringe patterns obtained from experiments and simulations show a good agreement. The stress intensity factor obtained from CGS measurements shows a good agreement with finite element results under K-dominant assumption.     

断裂力学判据的评述

从Inglis 和Griffith 的著名论文到Irwin 和Rice 等的奠基性贡献,对断裂力学中的线弹性断裂力学的K判据,界面断裂力学的G判据,和弹塑性断裂力学的J 判据作了扼要的综述. 介绍了在界面断裂力学G判据的基础上提出的界面断裂力学的K判据,以说明断裂力学的判据存在改进的可能性. 在综述中归纳出断裂力学判据中目前还没有较好解决的几个问题. 在总结以往断裂力学研究经验的基础上,指出裂纹端应力奇异性的源是对断裂力学判据存在的问题作进一步研究的切入点. 探讨了裂纹端应变间断的奇点是裂纹端应力奇异性的源的问题,从而对裂纹端应力强度因子的物理意义进行了讨论. 最后,阐述了进行可靠的裂纹端应力场的弹塑性分析是改进弹塑性断裂力学判据的关键,而进行可靠的裂纹端应力场的弹塑性分析的前提是要通过裂纹端应力奇异性的源的研究来获得作用在裂纹端的造成裂纹端应变间断的有限值应力.      

A combination optical method of lateral shearing interferometry and caustics

A novel experimental technique is presented that combines the optical method of caustics and the full-field lateral shearing interferometer of coherent gradient sensing (CGS) in one setup. Collimated light transmitted through a deformed specimen is separated into two legs. One is processed by the lateral shearing interferometer and is recombined with the other on a single image plane. By adjusting the optical path length of each leg, a combination lateral shearing interferogram/caustic image is generated. When this technique is applied to a fracture specimen, information about the stress intensity factor can be obtained from the caustic and the CGS interference fringes for exactly the same deformation field. This allows for a direct comparison between the two methods when investigating phenomena such asK-dominance, three-dimensional deformation and so on. In this paper, the technique is presented in detail, and its feasibility is tested by application to mode I and mixed-mode crack tip deformation fields.     

正交异性材料平面裂纹尖端应力场

根据正交各向异性材料力学性能确定出了用应力函数表示的弹性力学基本方程,利用坐标变换和复变函数方法求解了正交异性材料平面裂纹体的应力边值问题。借鉴一般断裂力学解法构造了I型和II型裂纹问题的应力函数,推导出了正交各向异性板裂纹尖端区的奇异应力场。通过数值计算说明了裂纹尖端应力表达式的正确性,验证了裂尖前沿应力变化规律,即σx与材料特征参数h2成正比,而σy和τxy不随材料特性变化。     

U形切口的有限断裂准则

有限断裂力学准则综合了应力和能量参数,假设裂纹或切口端部有限裂纹长度的增长．特别地,该有限裂纹的长度不是材料的基本常数,而是与构件的结构有关．基于U形切口两种形式：点方式和线方式有限断裂准则,对文献中的铝合金U形切口三点弯曲断裂实验进行了分析验证．一方面基于材料的断裂韧度和抗拉强度,预测切口件断裂载荷;另一方面根据几组不同的切口根部半径及其对应的临界切口应力强度因子,同时估算材料的断裂参数：断裂韧度和抗拉强度．将点方式和线方式两种不同形式有限断裂准则的预测结果,与平均周向应力准则、最大周向应力准则以及文献中相关结果进行了比较得出：无论是预测断裂载荷还是估算材料断裂参数,线方式有限断裂准则,与文献中相关结果比较吻合,尤其是估算的断裂韧度精度较高．     

Strain energy density prediction of crack initiation and direction in cracked T-beams and pipes

In this paper, the S-theory is applied to determine crack initiation and direction for cracked T-beams and circumferentially cracked pipes. It makes use of a parameter called strain energy density factor, S, which is a function of the stress intensity factors. The strain energy density theory provides a more general treatment of fracture mechanics problems by virtue of its ability in describing the multiscale feature of material damage and in dealing with mixed mode crack propagation problem. A simple method for obtaining approximate stress intensity factors is also applied. It takes into account the elastic crack tip stress singularity while using the elementary beam theory. Some basic loading conditions in beams and pipes are studied.     

裂纹尖端张开角准则的稳态裂纹扩展实验研究

ASTM和ISO已发布获得低约束条件下断裂性能和裂纹稳态扩展阻力曲线的标准,标准中采用多种试验方法确定临界裂纹张开角度来表征板材的裂纹稳态扩展。本文采用准静态裂纹扩展试验方法,通过摄像技术测定裂纹尖端张开角(CTOA),验证标准对1mm厚度2024-T3铝合金板稳态裂纹扩展行为的有效性。研究了试样构型、裂纹尺寸和是否疲劳预制裂纹对裂纹稳态扩展过程中CTOA的影响。试验结果表明:裂纹扩展2mm后,距离裂纹尖端1mm处的CTOA趋于一个恒定值6°,这个值与试样构型和裂纹长度无关;同时,不预制疲劳裂纹对CTOA值和试样的最大剩余强度影响较小。     

LC4—M材料复合型韧断主要影响因素的分析

通过分析LC4－M铝合金材料在不同复合比载荷下的断裂试验结果,参照常规断裂现象,修正了一般断裂试验中认定裂纹启裂方向的方法,结合不同复合比下裂尖附近应力三维、主应力方向的计算分析,得到：在裂端的钝化变形区域、应力三维度的极大值处,对应于裂纹的启裂位置,即使在高韧性材料中发生剪切断裂的情况下也是如此;裂纹的启裂方向在拉伸断裂时与启裂点最大拉应力方向有关,在剪切断裂时启裂点最大剪应力方向有关,引起两种形式断裂的主要因数和破坏机理有很大不同。     

Testing theoretical bases of caustic methods in fracture mechanics and stress analysis

Determination of stress intensity factors using shadow optical method of caustics attracts increasing attention. However, the reliability and ranges of applicability of this method are seldom discussed. This paper presents such an analysis regarding the reliability and predictive power of caustic method in fracture mechanics. This analysis is performed according to the accepted methodology of testing any analytical, numerical, or experimental procedure, namely by testing its theoretical bases. The following four basic assumptions of the shadow optical method of caustics in fracture mechanics, and their consequences, are analyzed: assumption of a generalized plane stress state near crack tip; assumption that the radiant energy used to produce shadow images propagates rectilinearly inside a stressed body; assumption that the light velocity inside a stressed body depends only on stress components in planes normal to wave normals; assumption that there is no alteration in state of polarization of radiation impinging upon a stressed plate at oblique incidence.The first two basic assumptions are tested using results obtained by means of three analytical-experimental procedures, namely isodynes, gradient index method, and classical strain gages. It is known that the inaccuracies of the fourth assumption are within the noise level only when the angles of incidence are small.It is shown that the magnitudes of the effects caused by the geometric lens effect and the gradient index lens effect are comparable, and that the stress states near crack tips and bottoms of notches, which produce the geometric lens effect, are clearly three-dimensional.It is also indicated that the gradient index lens effect is caused jointly by the stress/strain-induced alteration of the optical path and by the bending of the light path caused by strain gradient.Obtained empirical evidence shows the existence of a particular relationship between the observed gradient index lens effect and the order of singularity in a particular singular solution of linear fracture mechanics, with the exception of the vicinity of the crack tip where singularities are inadmissible.