层状弹性材料界面J积分的产生和特征

层状弹性材料的裂纹方向垂直于界面时,沿围绕裂尖的任意一条封闭路径Γ的J积分（J_Г）由两部分组成,J_Г=J_tip+J_int,这里J_tip表示裂尖产生的J积分,J_int表示Γ所包围的界面产生的J积分.裂尖产生的J积分不随Γ变化,物理含义是裂纹扩展能量释放率;界面产生的J积分随Γ变化,物理含义与裂纹扩展能量释放率无关.界面J积分的产生使J_Г失去了路径无关特性,也失去了实际物理意义.为了有助于理解非均匀材料J积分的含义和局限性,分析了层状弹性材料界面J积分的产生原因和特点.由不同均匀弹性材料组成的层状材料中,应变能密度的跳跃是界面J积分产生的原因,而弹性模量和残余应力在界面处的跳跃可使应变能密度在界面处产生跳跃.层状弹性材料的界面J积分之间具有相互抵消的作用.     

三维横观各向同性介质界面裂纹的边界积分方程方法

基于两相三维横观各向同性介质的基本解和Somigliana恒等式,对三维横观各向同性介质中的任意形状的平片界面裂纹,以裂纹面上的不连续位移为待求参量建立了超奇异积分_微分方程,界面平行于横观各向同性面.根据发散积分的有限部积分理论,应用积分方程方法研究得到裂纹前沿的位移和应力场的表达式、奇性指数以及应力强度因子的不连续位移表达式.在非震荡情形下,超奇异积分_微分方程退化为超奇异积分方程,与均匀介质的超奇异积分方程形式完全相同.     

利用Schmidt方法研究压电材料Ⅰ-型界面裂纹问题

在一定的假设条件下,即不考虑界面裂纹尖端处裂纹面的相互叠入现象,研究了压电材料Ⅰ-型界面裂纹问题．利用Fourier变换使问题的求解转换为求解两对对偶积分方程．进而把裂纹表面位移差展开成Jacobi多项式形式来求解对偶积分方程．结果表明裂纹尖端应力场和电位移场的奇异性与均匀材料裂纹问题的奇异性相同．当上下半平面材料相同时,解可以退化而得到其精确解．     

利用有裂纹与无裂纹J积分之差分析裂纹扩展能量释放率

用有裂纹与无裂纹时的远场J积分之差分析了无限大平面中心裂纹的能量释放率,材料形式分别为均匀和层状材料,裂纹垂直于拉伸方向,层状材料界面平行于拉伸方向.有裂纹与无裂纹J积分之差表示载荷作用下的无裂纹材料引入裂纹所导致的J积分变化.对于均匀材料无限大平面中心裂纹,能量释放率等于对称轴处应变能密度释放量沿对称轴的积分,其值等于无裂纹时的应变能密度乘以一个以裂纹半长为半径的圆周长.对于层状材料无限大平面中心裂纹,能量释放率等于对称轴处应变能密度释放量沿对称轴的积分减去界面J积分的改变量.     

垂直于双材料非完美界面Ⅱ型裂纹的断裂分析

研究了垂直于双材料非完美界面的Ⅱ型裂纹问题,采用线性弹簧模型模拟非完美界面．然后用Fourier积分变换方法把边值问题转化为求解具有Cauchy核的奇异积分方程,获得了裂纹两端应力强度因子的数值解．详细研究了问题的几种特例,并用数值实例分析了界面的非完美性对应力强度因子的影响．结果表明应力强度因子与界面参量有关并在完美界面和分离界面所对应的结果中变化．     

J积分在多层介质中的守恒性和其应用

首先证明和讨论了当裂纹平行于多层介质界面时,其裂纹尖端J积分的守恒性;然后建立了具有界面裂纹的由4种介质构成的材料分析模型,根据J积分在多层介质中的守恒性原理,提出了该模型的I型断裂能量释放率守恒假设,并经过了数值实验的验证,通过能量分析和量纲分析,用渐近分析方法得到了计算该模型结构界面裂纹尖端能量释放率和复应力强度因子的分析公式,并且进行了讨论。     

位于两不同正交各向异性半平面间张开型界面裂纹的性能分析

利用Schmidt方法分析了位于正交各向异性材料中的张开型界面裂纹问题．经富立叶变换使问题的求解转换为求解两对对偶积分方程,其中对偶积分方程的变量为裂纹面张开位移．最终获得了应力强度因子的数值解．与以前有关界面裂纹问题的解相比,没遇到数学上难以处理的应力振荡奇异性,裂纹尖端应力场的奇异性与均匀材料中裂纹尖端应力场的奇异性相同．同时当上下半平面材料相同时,可以得到其精确解．     

各向异性介质中周期性界面裂纹的弹塑性问题

应用富里叶积分变换方法将裂纹边值问题化为对偶积分方程组,再用定积分变换法将问题进一步化为奇异积分方程组,求得了双材料各向异性弹塑性介质中周期性界面裂纹反平面问题的封闭形式解,并作为特例讨论了各向同性双材料问题、各向异性单一材料问题及各向同性—各向异性双材料问题.结果表明:裂纹尖端前沿的塑性区尺寸、裂纹的张开位移(COD)均决定于两种材料流动极限中的较小者及裂纹的长度和相邻两裂纹的间距,此外,COD还与材料模量有关.     

矩形弹性夹杂与裂纹相互干扰的边界元分析

使用边界元法研究了无限弹性体中矩形弹性夹杂对曲折裂纹的影响,导出了新的复边界积分方程．通过引入与界面位移密度和面力有关的未知复函数H(t),并使用分部积分技巧,使得夹杂和基体界面处的面力连续性条件自动满足,而边界积分方程减少为2个,且只具有1/r阶奇异性．为了检验该边界元法的正确性和有效性,对典型问题进行了数值计算．所得结果表明:裂纹的应力强度因子随着夹杂弹性模量的增大而减小,软夹杂有利于裂纹的扩展,而刚性较大的夹杂对裂纹有抑制作用．     

层状陶瓷的材料力和裂纹力评估方法

用J积分理论分析了层状陶瓷受弯曲载荷作用时J_(far(0)),J far(a),J_(far(a))-J_(far(0))和J_(tip)的特点,这里J_(far(0)),J_(far(a))分别表示无裂纹时和裂纹长度为a时的远场J积分,J_(tip)表示裂尖J积分.裂纹是垂直于界面的表面裂纹,基本假设是裂纹只影响局部应力应变场.由于积分路径所包围的材料界面长度随积分路径变化,导致J_(far(0))和J_(far(a))都随积分路径变化,但当积分路径远离裂纹影响区域时J_(far(a))-J_(far(0))不再随路径变化.J_(far(a))-J_(far(0))可作为非均匀材料断裂的远场驱动力参量,J_(tip)-(J_(far(a))-J_(far(0)))可用来评价材料非均匀性对裂纹扩展驱动力的促进或抑制作用.     

裂纹与弹性夹杂的相互影响*

本文利用无限域上单根弹性夹杂和单根裂纹产生的位移和应力,将裂纹与弹性夹杂的相互影响问题归为解一组柯西型奇异积分方程,然后用此对夹杂分枝裂纹解答的奇性性态作了理论分析,并求得了振荡奇性界面应力场,对于不相交的夹杂裂纹问题,具体计算了端点的应力强度因子及夹杂上的界面应力,结果令人满意。     

压电压磁复合材料中界面裂纹对弹性波的散射

利用Schmidt方法分析了压电压磁复合材料中可导通界面裂纹对反平面简谐波的散射问题．经过富里叶变换得到了以裂纹面上的间断位移为未知变量的对偶积分方程A·D2在求解对偶积分方程的过程中,裂纹面上的间断位移被展开成雅可比多项式的形式．数值模拟分析了裂纹长度、波速和入射波频率对应力强度因子、电位移强度因子、磁通量强度因子的影响A·D2从结果中可以看出,压电压磁复合材料中可导通界面裂纹的反平面问题的应力奇异性形式与一般弹性材料中的反平面问题应力奇异性形式相同．     

三维无限接合体双材料多界面裂纹的超奇异微积分方程法

利用有限部积分的概念,导出了三维无限接合体中多个界面裂纹,在任意载荷作用下的超奇异微积分方程组.数值分析中,未知的位移间断采用基本分布函数和多项式乘积的形式来近似,其中基本分布函数是根据界而裂纹应力的振荡奇异性来选取的.作为典型算例,研究了存在两个矩形界面裂纹时,裂纹之间距离、裂纹形状及双材料弹性常数对应力强度因子的影响.计算表明,应力强度因子随裂纹间的距离的增大而减小.     

构成单材料裂纹和双材料界面裂纹有限应力集中的一般解析函数

对构成裂纹尖端附近有限应力集中解析函数的方法进行了综述.含裂纹平面问题的应力函数可以用无理函数和指数函数两种型式表示.对单材料裂纹,将裂纹长度作为参数,对无理函数型解析函数采用直接加权积分可以消除裂纹尖端应力的奇异性,构造有限连续的应力函数和尖劈型的张开位移函数.对指数函数型解析函数的间接积分适用于界面裂纹问题,但会使积分区间的应力分布出现正负反转和不合理的张开位移形状;结合选择不同权函数的叠加可以得到满足精度要求的有限应力集中解析函数.给出了中心裂纹和对称边裂纹在面内拉伸、剪切和弯曲等6种受力状态下的基本解.阐述了作为解析函数何以回避裂纹尖端应力奇异性的理由.     

各向异性双材料界面裂纹的分叉

本文对各向异性弹性双材料界面裂纹的分叉问题进行了系统的分析。建立了位错密度分布函数的奇性积分方程。提出了分枝裂纹应力强度因子及能量释放率的显式表达。这些表达式中含有与界面平行的应力分量σ₀的贡献。 文中还着重阐明了水平应力分量σ₀对分枝裂纹能量释放率的重要影响。这种影响可以明显改变裂纹扩展方向。     

双材料界面裂纹平面问题的半权函数法

应用半权函数法求解双材料界面裂纹的平面问题．由平衡方程、应力应变关系、界面的连续条件以及裂纹面零应力条件推导出裂尖的位移和应力场,其特征值为lambda及其共轭．设置特征值为lambda的虚拟位移和应力场,即界面裂纹的半权函数A·D2由功的互等定理得到应力强度因子KⅠ和KⅡ以半权函数与绕裂尖围道上参考位移和应力积分关系的表达式．数值算例体现了半权函数法精度可靠、计算简便的特点．     

Ⅲ型弹粘塑性/刚性界面裂纹的定常扩展裂尖场

考虑裂纹尖端的奇异性和粘性效应,建立了双材料界面扩展裂纹尖端的弹粘塑性控制方程．引入界面裂纹尖端的位移势函数和边界条件,对刚性-弹粘塑性界面Ⅲ型界面裂纹进行了数值分析,求得了界面裂纹尖端应力应变场,并讨论了界面裂纹尖端场随各影响参数的变化规律．计算结果表明,粘性效应是研究界面扩展裂纹尖端场时的一个主要因素,界面裂纹尖端为弹粘性场,其场受材料的粘性系数、Mach数和奇异性指数控制．     

集中力作用下多铁性板状复合材料的断裂分析

针对多铁性板状复合材料在外表面任一点处存在集中力的界面裂纹问题,建立断裂力学模型.利用Fourier(傅里叶)积分变换和Green(格林)函数推导出该裂纹模型的Cauchy(柯西)奇异积分方程组;通过Chebyshev(切比雪夫)配点法将该方程组离散为对应的代数方程组,进而数值求解裂纹尖端应力强度因子.通过对数值结果的分析可以得到:在外表面集中力作用下,压电层厚度、裂纹长度以及集中力作用位置是影响裂纹尖端应力强度因子的3个主要因素.分析讨论了在该模型下各项参数对应力强度因子的影响规律,可以在工程应用中为此类复合材料的防断裂优化设计提供一定的理论参考.     

不同功能梯度压电压磁层状介质中共线界面裂纹的动态性能分挝

对不同功能梯度压电压磁层状介质中,共线界面裂纹对简谐应力波作用下的动态问题,进行了分析.经Fourier变换,使问题的求解转换为求解以裂纹面上位移间断为未知量的三重对偶积分方程,三重对偶方程可以采用Schmidt方法来求解,进而分析了功能梯度参数、入射波频率和层状介质厚度对应力、电位移和磁通量强度因子的影响.     

压电材料中两平行不相等界面裂纹的动态特性研究

利用Schmidt方法,研究了压电材料中两个平行不相等的可导通界面裂纹对简谐反平面剪切波的散射问题．利用Fourier变换,使问题的求解转换为对两对以裂纹面张开位移为未知变量的对偶积分方程的求解．数值计算结果表明,动态应力强度因子及电位移强度因子受裂纹的几何参数、入射波频率的影响．在特殊情况下,与已有结果进行了比较分析．同时,电位移强度因子远小于不可导通电边界条件下相应问题的结果．