非平衡统计断裂力学基础

非平衡统计断裂力学是用非平衡统计概念和方法结合微裂纹(或微空洞)演化动力学从微观机理推导出宏观力学量的断裂理论.它以微裂纹演化方程为核心,结合从微观机理求得的微裂纹长大速率和成核率以及最小强度原理,统一导出微裂纹分布函数、断裂概率、可靠性、失效率、损伤断裂动力学方程、强度、韧度和寿命等各种与断裂有关的力学量的统计分布函数、统计平均值和统计涨落.本文理论可广泛适用于金属和结构陶瓷的脆性、疲劳、延时和环境断裂等多种断裂类型.本文通过金属的脆性、疲劳和延时断裂,扼要综述了上述主要思想、方法和结果.      

损伤和断裂的统一

本文讨论了连续损伤力学基础的缺陷,从微裂纹随机演化出发给损伤概念作出新的普适的统计定义,导出了损伤断裂几率的动力学方程,使损伤、断裂、统计、微观机理及宏观特性五者有机地相结合,从而有可能形成一个统一的损伤断裂微观统计理论。     

准脆性材料黏聚阻裂的计算与实验

工程常用材料铸铁混凝土等,在裂缝前端区域有微观及宏观缺陷的变化及能量耗散,表现为准脆性损伤断裂特点.若把该阻止裂缝扩展与张开的损伤发展区简化成虚拟裂纹,将存在裂纹黏聚分布力与变形或张开位移;讨论了与此相关的黏聚裂纹力学模型及方程解答说明.相应于黏聚张开位移有微细观测图与实验测试数据,给出黏聚裂纹模型的解析计算方法,并将理论计算与实验测试数据进行了对比.以双K断裂准则和黏聚模型为基础,给出对含裂纹结构的承载力的预估计算.理论计算比较符合实验结果.     

高聚物细观损伤演化的研究进展

聚合物的银纹化损伤与断裂是一个复杂和重要的研究课题。简述了银纹引发的(热)力学条件和银纹成核的微观机理。结合最新的研究进展,对银纹向前扩展的弯月面不稳定机理、银纹增厚的蠕变机理和界面转入机理作了较详细的分析与综合。考虑银纹细观结构中横系的作用,对银纹结构模型、银纹微纤断裂判据、微纤断裂行为的分子量和缠结密度相关性以及银纹与裂纹相互作用等问题进行了较详细的综述。指出银纹生长和断裂的深入研究可望建立材料宏观断裂韧性和材料细观结构以及微观参数之间的关联,为进行材料韧性的微观设计提供一条可行的途径。并对今后这一领域的研究方向和重点进行了展望。      

准脆性材料断裂过程区中的圆饼微裂纹损伤计算

准脆性工程材料及结构在外力作用下,不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展,且使得其结构承载能力降低或性能劣化．在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区．为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律,通过细观力学方法,对于代表性体积单元RVE中的圆饼型微裂纹的尺寸与密度变化,探讨其宏观断裂过程区力学参量与损伤之间的量化关系．借助宏观断裂过程区的黏聚裂纹模型,将损伤单元RVE嵌入到宏观裂缝端部的断裂过程区中,对其进行联接细观损伤到宏观破坏的力学多尺度研究．文中也通过实验数据,对其理论计算结果进行了算例的讨论与分析．     

热激活断裂统计理论

本文研究了原子键机理与宏观特性相结合的热激活断裂非平衡统计理论,统一导出了微裂纹分布函数、断裂几率、可靠性、断裂寿命分布函数和平均断裂寿命。     

含初始裂纹巴西圆盘劈裂问题的非局部近 场动力学建模

巴西圆盘劈裂是弹性力学及岩石力学与工程中的经典问题。在非局部键型近场动力 学理论的基础上,引入物质点对的转动自由度构建双参数微观弹脆性近场动力学本构力模型 以突破常规模型的应用范围限制,并考虑岩石混凝土类材料的宏观拉压异性和断裂特征。引 入动态松弛、粒子系统力边界条件和系统平衡弛豫等算法,实现了含不同倾角中心裂纹巴西 圆盘受压劈裂破坏全过程的近场动力学数值模拟,裂纹扩展路径及破坏形式均与试验结果高 度吻合,为裂纹扩展和断裂破坏问题的数值模拟提供了新的选择。     

断裂微观过程的模型化及其力学分析的概论

在近代断裂理论的发展中,宏观与微观的结合已成为一个重要的方向.这方面的研究一般包括以下几项基本工作:1.通过微观研究阐明断裂发生的物理过程,即断裂的机制.2.在此基础上提出一个既能反映物理过程的基本特征又能进行数学处理的力学模型.3.对模型进行数学分析找到材料的组织结构及其基本力学性能与宏观断裂韧性的关系.下面概略介绍单调加载下的有关工作.     

韧性断裂的微观模型及其在约束断裂中的应用

详细分析了不同形状断裂试件及小范围屈服模型裂纹端部的损伤演化，提出了韧性断裂的宏观起裂相当于裂尖前方一特征位置处的损伤达到一临界值。利用此模型获得了与实验相一致的宏观断裂韧性及与约束无关的理论断裂韧性。     

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下,脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性,对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而,对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系,提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系,是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出;应变率与动态断裂韧度关系,是根据推出的裂纹速率及应变率关系,与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε0和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。     

爆炸加载下金属壳体膨胀断裂过程中的关键物理问题

爆炸加载下金属壳体膨胀断裂过程是武器研制领域关注的重要课题,该过程包含着丰富的力学与材料学基础科学问题,吸引着众多学者的长期关注。本文中通过分析爆炸加载下金属壳体膨胀断裂过程,明确了其中蕴含的3个关键物理问题:材料动态拉伸本构、壳体膨胀断裂机理和破片尺寸控制机理,综合分析了这3个关键物理问题的研究现状与趋势。     

TA2钛合金开口柱壳外爆碎片分布研究

金属柱壳爆炸膨胀断裂机制及其对碎片分布、特征尺寸的影响是应用物理、力学、兵器工程等领域共同关心的重要课题, 但目前除数值模拟外, 考虑断裂机制的简单二维碎裂模型尚未出现.开展TA2钛合金开口柱壳在不同装药条件下的碎裂实验研究, 通过对软回收碎片的统计及微观分析, 探讨金属柱壳外爆断裂模式及二维碎片分布规律, 结果显示:(1) TA2钛合金柱壳在实验爆压(7 $\sim$ 25 GPa)下宏观断口均为剪切断裂模式, 但机制不同, 在较高爆压下柱壳剪切断裂由多重绝热剪切带破坏控制, 在较低压力下为剪切破坏;(2) 与一维拉伸碎裂相比, 柱壳爆炸碎裂不充分, 碎片质量更符合$\beta=1$ (或更接近1)的指数分布; 爆炸碎裂越充分, 碎片越小并趋于均匀, $\beta$趋于较小的值, 趋向Mott和Linfoot提出的泊松统计分布形式;(3) Rayleigh分布可以较好描述柱壳碎片的宽度分布规律, 不同爆压下柱壳碎片宽度归一化尺寸分布具有相似性, 呈现"量子化"特性, 即存在最小的特征尺寸; (4) TA2柱壳碎片特征尺寸远大于G-K剪切断裂公式预测的尺寸, G-K剪切式描述的是多重绝热剪切带间距.本研究为金属柱壳碎片特征、分布规律及其模型分析提供了重要参考.      

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.     

Unified nano-mechanics based probabilistic theory of quasibrittle and brittle structures: II. Fatigue crack growth, lifetime and scaling

This paper extends the theoretical framework presented in the preceding Part I to the lifetime distribution of quasibrittle structures failing at the fracture of one representative volume element under constant amplitude fatigue. The probability distribution of the critical stress amplitude is derived for a given number of cycles and a given minimum-to-maximum stress ratio. The physical mechanism underlying the Paris law for fatigue crack growth is explained under certain plausible assumptions about the damage accumulation in the cyclic fracture process zone at the tip of subcritical crack. This law is then used to relate the probability distribution of critical stress amplitude to the probability distribution of fatigue lifetime. The theory naturally yields a power-law relation for the stress-life curve (S-N curve), which agrees with Basquin's law. Furthermore, the theory indicates that, for quasibrittle structures, the S-N curve must be size dependent. Finally, physical explanation is provided to the experimentally observed systematic deviations of lifetime histograms of various ceramics and bones from the Weibull distribution, and their close fits by the present theory are demonstrated.     

Analysis of saltation characteristics of bed-load transport in flowing water

The study of bed-load transport is of great significance both in theory and in practice. This paper discusses the saltation of bed-load solid grains in flowing water. Experiments and theoretic analysis have been made by means of high-speed photographing and advanced data processing technique with a combined method based on mechanical and statistical theories. It indicates that the saltation is the main form of the bed-load transport under ordinary flowing conditions. In the meantime, taking successive saltation as the model of bed-load transport, systematic analysis has been made with regard to the kinematic properties and mechanism of saltation. The statistical analysis shows that the probability density functions of the relative height and length of saltation are in conformity with Γ-type distribution, while the probability density functions of the relative velocities of saltation are in conformity with the Gaussian distribution. The project supported by National Natural Science Foundation of China     

玻璃态高聚物细观损伤断裂统计力学

对玻璃态高聚物内部细观损伤断裂判据、机理、动力学及统计模型的最新进展，进行了较为全面、系统的介绍和总结，并简要概述了细观损伤统计描述在金属材料及玻璃态高聚物领域里的应用。     

合金材料韧性断裂的表征、孔洞成核准则和断裂模型

Ⅰ.引言韧性断裂是合金材料失效的主要形式之一。早在19世纪下半叶,有人就开始注意到金属材料的韧性断裂是通过内部颈缩而发生的。本世纪50年代,Puttick通过一系列实验和分析,提出了韧性断裂的机制是由于在材料内部的夹杂物上形成孔洞。随后,越来越多的实验事实表明,合金材料的韧性断裂是在材料里的第二相粒子(夹杂物)上形成孔洞,随后孔洞生长、汇合这样一个过程。50年代以来,位错理论的发展,电子显微镜的诞生,断裂学科