基于圆弧底试件的动态裂纹扩展及止裂规律研究

为了研究脆性材料的动态裂纹扩展及止裂规律,设计了一种带圆弧形底边的梯形开口边裂纹（trapezoidal opening crack with arc bottom,TOCAB）构型的试件。在落锤冲击设备加载下,对圆心角为0°、60°、90°和120°的TOCAB试件进行了冲击实验,并采用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)监测裂纹起裂和扩展时间,从而获得裂纹扩展速度。采用有限差分软件AUTODYN对落锤冲击设备和试件进行数值模拟,研究了裂纹的动态扩展过程及止裂规律。还基于实验和数值方法,计算了裂纹的临界动态应力强度因子。实验和数值结果均表明：3种弧度的TOCAB试件都可以实现运动裂纹止裂,该构型可用于研究动态裂纹止裂问题;数值计算的裂纹扩展路径与实验结果基本一致,验证了数值模型的有效性;裂纹起裂和止裂时刻的临界动态应力强度因子大于裂纹动态扩展过程中的临界动态应力强度因子。

     

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。

     

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.      

电磁热效应裂纹止裂的实验研究

通过本文给出的实验表明：利用电磁场的热效应对载流导体中的裂纹进行止裂是一种行之有效的方法。在电磁场作用瞬间,由于裂尖处的热集中效应,能够使其在附近一定范围内熔化形成微小焊口。由此,裂纹前缘处的曲率半径增加了2-3个数量级。同时,细化了裂纹前缘的显微组织,提高了材料的韧性,显著地减少了应力集中,阻止了干线裂纹源的形成,可有效地遏制了裂纹的扩展。文中介绍了实验原理、方法和结果;讨论了一些参数之间的关系。     

致密砂岩巷道模型试件动态起裂及止裂全过程分析

为了开展在不同冲击载荷作用下巷道围岩内裂纹的起裂、扩展及止裂等问题,以可调速冲击试验机进行动态加载试验,采用致密青砂岩制作裂纹巷道模型试件,并利用裂纹扩展计分别记录了动态起裂、扩展、止裂等时刻,对裂纹扩展速度的变化规律进行分析;随后采用AUTODYN有限差分法软件进行相应的数值模拟,数值模拟得到的裂纹扩展路径与试验结果基本一致。经过两者对比分析可知:随着冲击载荷作用的增加,裂纹平均扩展速度逐渐增大,随后趋于稳定值;预制裂纹的起裂时间随着冲击速度载荷的增加而逐渐降低,并在稳定值上下波动;随着冲击速度载荷的增加,裂纹扩展路径过程中的止裂时段逐渐变短。     

增韧环氧树脂的动态裂纹扩展研究

本文主要进行了环氧及增韧环氧树脂的断裂韧性及裂纹快速扩展的试验研究。试验过程中采用了ＧＬＣ－１型高速裂纹扩展测试仪来测试裂纹的扩展速度,得到在裂纹扩展过程中裂纹扩展速度曲线。本文结合不同的计算公式及有限元分析方法,讨论了各个确定断裂韧性公式的准确程度,发现传统的静态断裂韧性的分析方法所得到的结果偏大,有一定的危险性,建议使用试验与数值计算相结合的方法;同时还发现增韧不仅可以提高材料的静态和动态断裂性能,而且在裂纹扩展过程中可以起到减缓裂纹扩展的作用     

止裂设计中的力学概念

作为起裂控制设计方法的补充,经10多年的努力,已逐步形成了以断裂动力学为基础的止裂控制设计方法.本文讨论了这种新的断裂控制设计方法的梗概及其中的主要力学概念.      

脆性材料裂纹扩展的分形运动学

大量实验结果表明脆性材料裂纹扩展路径是弯弯曲曲的，不规则的，断裂表面粗糙不平，表现出分形特征。本文应用分形几何推导出脆性材料裂纹扩展的分形运动学公式，得到了动、静态断裂韧性与分形裂纹扩展速度、裂纹长度、微结构特征量δ＿ｃ以及分形维数之间的关系；推导出了裂纹扩展速度的计算公式，得出宏观量测的裂纹扩展速度Ｖ＿０应小于分形裂纹扩展速度Ｖ；并推导出直接根据材料动、静态断裂韧性和裂纹扩展速度Ｖ＿０估算材料裂纹扩展路径的分维计算公式．本文理论分析结果与实验值在定性定量上达到了较好的一致。     

爆炸荷载作用下两平行裂纹对扩展中裂纹的影响规律

用实验和数值模拟方法,研究在爆炸载荷下岩体内部一对平行裂纹对扩展主裂纹的影响规律。实验中,采用带有中心装药孔及预制裂纹的砂岩圆盘试件,利用由示波器、超动态应变仪及裂纹扩展计所组成的测试系统,监测主裂纹扩展速度和扩展距离;数值模拟中,采用了AUTODYN软件进行,模拟了主裂纹及两平行裂纹的扩展规律,对岩石材料,采用线性状态方程及最大拉应力失效准则,并在两平行裂纹间设置相应的观测点记录应力曲线。通过实验与数值模拟分析,得到:爆炸载荷下,紧随冲击波后的稀疏波经过两平行裂纹面反射后变成压缩波,并在两平行裂纹间产生垂直于主裂纹扩展方向的压应力,对裂纹的扩展有压制、止裂作用;而且,这种压应力的大小与两平行裂纹的间距有关,进而导致了不同的止裂效果,影响裂纹的扩展速度及最终扩展长度。     

蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究黏性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹的 力学模型.首先,依据在稳态蠕变阶段,弹性变形和黏性变形同时在裂纹尖端场中占主导地 位,由量级协调可知,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝/ r- 1/(n-1). 其次,通过渐近分析推导出动态扩展裂纹尖端场的控制方程并求得了裂纹尖端应 力、应变和位移分离变量形式的渐近解.最后,采用双参数打靶法求得了裂纹尖端应力、应 变的数值结果.数值计算表明,裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制;在Ⅰ 型动态扩展裂纹前方,环向应变达到最大值,可据此建立断裂准则. 由于裂纹稳定扩展与非稳定扩展的主奇异项相同,因此对于稳定扩展裂纹的渐近分析方 法,同样适用于非稳定的裂纹扩展问题.     

粘弹塑性材料动态裂纹尖端场

本文采用一种弹性/粘塑性模型,对扩展裂纹尖端应力应变场进行了渐近分析。文中假定,弹性阶段的粘性效应可以略去,仅在塑性应变中粘性才起作用。对这种模型,文中导出了一种率敏感型的本构关系。并进一步导出了裂纹尖端应力应变场的动力学方程。通过量级分析,给出了尖端场的应力应变奇异性指数。并且讨论了弹性,塑性及粘性三者的匹配条件。对Ⅲ型裂纹进行了具体的分析计算。对各个不同参数的选取进行了详细的分析,讨论了解的性质随各参数的变化规律。     

动态裂纹扩展中的分形效应

假设裂纹顶端沿着分形轨迹运动，建立了裂纹扩展的分形弯折（ｋｉｎｋｉｎｇ）模型来描述裂纹的动态扩展。根据这个模型，我们推导了分形裂纹扩展对劝态应力强度和裂纹速度的影响．动态应力强度因子与表观应力强度因子之比Ｋ（ｌ（ｔ），Ｖ）／Ｋ（Ｌ（ｔ），Ｏ）是表观裂纹速度Ｖ＿Ｏ，材料微结构参数（ｄ／Δａ），分维Ｄ和裂纹扩展路径的弯折角θ的函数。本文研究结果表明：在分形裂纹扩展中，表观（或量测）的裂纹速度Ｖ＿Ｏ很难接近Ｒａｙｌｅｉｇｈ波速Ｃ＿ｒ．动态断裂实验中Ｖ＿Ｏ明显低于Ｃ＿ｒ的原因可能是分形裂纹扩展效应所致。材料的微结构，裂纹扩展路径的分维和弯折角均很强地影响动态应力强度因子和裂纹扩展速度。     

考虑材料循环塑性的疲劳裂纹扩展模拟

提出了一种考虑材料循环塑性性能的研究疲劳裂纹扩展与闭合行为的有限元模拟方法．对所选用的循环塑性本构关系进行了基本实验检验．探讨了在疲劳裂纹扩展有限元分析中网格尺寸的影响，给出了网格优化准则．研究了在循环硬化条件下考虑裂纹合效应时裂纹面张开廓形、裂纹尖端应力、应变场和正反向塑性区的演变规律．对于循环硬化和不同循环应力比Ｒ等因素对裂纹张开应力水平的影响也作了考察     

蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹的力学模型,在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1/(n-1)。通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变的数值结果,数值计算表明,裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制。通过对裂纹尖端场的渐近分析,从应变角度出发,提出了蠕变材料Ⅱ型动态扩展裂纹的断裂判据。     

脉冲电流在导电薄板裂纹止裂技术中的应用

给出了脉冲电流作用下,无限大薄板中裂纹尖端附近电流密度及焦耳热源功率的表达式,并在此基础上,推得了尖端区域处温度的具体表达式.通过算例证实了,可利用脉冲电流在尖端处产生的热电磁集中效应来抑制裂纹的传播.     

脆性PMMA带板中的动态裂纹传播实验

设计了一种研究裂纹在脆性带板(Strip)中传播行为的实验装置。将矩形无预制裂纹的脆性有机玻璃(PMMA)试件上下边固支,在万能试验机上施加拉伸载荷直到给定幅值,然后在试件侧边中央部位开启一个尖锐裂纹。由于预加的拉伸载荷作用,新开启的裂纹将沿试件中部快速传播,导致整个平板试件断裂。采用印刷在试件表面的导电断裂丝记录裂纹的动态传播历史。设计了一种逻辑电路,可将多达128路电阻丝的断裂信号转换为1路输出信号,使用高速波形记录仪测量该信号,得到裂纹传播距离与时间关系。对不同形状的试件施加不同幅度的预加载荷,完成断裂实验,确定了裂纹的稳定传播速度。通过大量实验,获得了材料中稳定裂纹速度v0与动态裂纹传播能Gc之间的关系。测试结果表明:PMMA的传播能Gc是传播速度v0的递增函数;当裂纹平均的稳定速度超过某一临界值时,出现明显的速度振荡。     

反平面动态扩展裂纹问题的研究

应用复变函数论，对反平面动态扩展裂纹问题进行了研究。通过自相似函数的方法可以获得若干问题的解析解。应用该法可以迅速地将所论问题转化为Riemann-Hilbert问题，并可以相当简单地得到问题的闭合解。通过叠加原理利用这些解，就可以求得任意复杂问题的解。     

裂纹起裂方向及扩展路径的数值模拟

采用FRANC2D断裂力学分析软件分析了含裂纹构件的断裂问题,通过在裂纹尖端附近采用1/4奇异等参元,很好的刻画了裂纹尖端场的1/√r奇异性,通过对若干典型断裂问题的计算,得到了裂纹尖端的断裂参数,模拟了有限板中心斜裂纹和边斜裂纹的扩展过程,并对裂纹的起裂方向进行了预测,与实验结果进行对比具有较好的一致性.分析结果表明,FRANC2D软件对线弹性材料的断裂问题计算结果精度很高,可以模拟裂纹的扩展路径.利用该软件的计算结果对进一步深入分析断裂问题有很大帮助,可以为工程断裂分析提供参考.     

电磁热效应止裂效果与裂纹走向关系的研究

采用理论、实验与数值分析的方法研究了在电磁热效应裂纹止裂中 ,由于裂纹走向不同导致裂纹尖端的温度场、温度梯度场分布状态的不同 ,并定量计算了它们的分布规律和差值。数值模拟计算应用了耦合场理论中热 电耦合 (焦耳热问题 )的分析方法。三方面的研究结果均表明 :在裂纹尖端处 ,由于电流产生的焦耳热源的作用 ,能够在很小的范围内熔化形成微小的焊口 ,遏制了裂纹的扩展 ;裂纹的走向是影响裂纹尖端温度场数值和温度梯度场变化即电磁热效应裂纹止裂效果的主要因素之一。     

可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了可压缩粘弹性材料II型动态扩展裂纹的力学模型,推导了可压缩材料Ⅱ型动态扩展裂纹的本构方程.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级r-1/(n-1).通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变和位移的数值结果,给出了应力、应变和位移随各种参数的变化曲线.数值计算表明,弹性变形部分的可压缩性对Ⅱ型裂尖应力场影响甚微,而对应变场和位移场影响较大.裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制.当泊松比ν =0.5时,可以退化为不可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹.