0Cr18Ni9不锈钢材料断裂韧度的实验研究和数值分析

从实验研究和数值分析两方面研究了0Cr18Ni9不锈钢材料的断裂韧度。首先,通过单轴拉伸测试得到0Cr18Ni9不锈钢材料的应力-应变曲线,并验证了该应力-应变曲线符合Ramberg-Osgood弹塑性本构模型,利用全局优化算法反演得到其弹塑性本构参数。然后,结合声发射技术和扫描电镜断口观察,确定了0Cr18Ni9不锈钢紧凑拉伸试样的起裂载荷和I型裂纹实际的起裂断裂韧度。进一步,根据数字图像相关方法得到的全场变形计算了J积分,J积分随时间逐渐增大;最后,采用有限元法计算了起裂时沿裂纹前缘各处的J积分分布,发现J积分呈现中间较大、表面较小的分布特征,而且有限元计算的J积分平均值与从光学位移场数据计算的J积分接近。     

平面应变下紧凑拉伸试样的动态断裂韧性的实验研究

材料的动态断裂韧性是衡量材料在动载荷作用下抵杭裂纹扩展能力的重要指标,以往的材料动态断裂韧性测试多采用三点弯曲试样,而针对紧凑拉伸试样的动态断裂韧性研究很少.本文将紧凑拉伸试样(即CT试样)简化成等效弹簧质量模型,得到了CT试样动态应力强度因子的近似表达式.对Hopkinson压杆装置进行了改进,利用改进后的实验装置进...     

高匹配单边缺口拉伸试件J积分塑性因子研究

管道焊缝区域材料容易产生缺陷,采用高匹配焊接接头在一定程度上可以解决此类问题,高匹配焊接接头断裂韧性准确测试的基础是J积分塑性因子的准确性。本文针对高匹配试件厚宽比为1的单边缺口拉伸(single edge notch tension, SENT)试样,建立高匹配不含侧槽与侧槽深度为10%的SENT试样有限元模型,计算考虑裂纹长宽比、匹配系数、焊缝宽度的J积分塑性因子,分析裂纹长宽比、匹配系数、焊缝宽度、试件侧槽对J积分塑性因子的影响,拟合高匹配J积分塑性因子方程,为高匹配SENT试样的J积分阻力曲线的精确测试提供依据。     

一种基于SHTB的Ⅱ型动态断裂实验技术

冲击剪切载荷作用下动态断裂韧性的测定是材料力学性能和断裂行为研究中重要组成部分.为了测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,许多学者采用不同的试样与实验方法进行了实验,但限于实验条件,裂纹断裂模式往往是I+Ⅱ复合型,而不是纯Ⅱ型,因而不能准确测得材料的Ⅱ型动态断裂韧性.鉴于此,本文基于分离式霍普金森拉杆(split Hopkinson tension bar,SHTB)实验技术,提出一种改进的紧凑拉伸剪切(modified compact tension shear,MCTS)试样,通过夹具对MCTS试样施加约束,从而保证试样按照纯Ⅱ型模式断裂.采用实验-数值方法对MCTS试样动态加载过程进行分析,将实验测得的波形输入有限元软件ANSYS-LSDYNA,得到了裂纹尖端应力强度因子-时间曲线,并与紧凑拉伸剪切(compact tension shear,CTS)试样进行了对比.同时采用数字图像相关法进行了实验,验证了有限元分析结果.结果表明,MCTS试样在整个加载过程中K_I K_Ⅱ,裂纹没有张开;而CTS试样在同样的加载过程中K_IK_Ⅱ,出现裂纹张开现象.这说明MCTS试样能够准确地测定材料的Ⅱ型动态断裂韧性,为材料动态力学测试提供了一种有效的实验技术.     

基于紧凑拉伸剪切结构的复合型疲劳裂纹扩展研究

针对含I-II型复合裂纹的紧凑拉伸剪切(CTS)试样,研究了不同加载角度下的裂纹扩展路径及裂纹扩展寿命,通过实验数据给出了适宜于CTS试样的等效应力强度因子关系式,并基于此提出了一种新的I-II型复合裂纹扩展模型。研究表明,CTS试样的裂纹沿与加载方向近垂直的方向扩展,基于Tanaka公式的等效应力强度因子更适合于本文CTS试件的裂纹扩展寿命评估。当加载角度处于0°~45°之间时,提出的复合型裂纹扩展模型预测误差控制在5.49%之内,验证了分析模型的可行性和准确性。     

回路J积分守恒性的测定与研究

本文从回路定义的Ｊ积分出发，采用激光全息干涉及散斑干涉法测出紧凑拉伸试件裂纹前端区域弹性情况下的应力场和位移场。采用两条不同回路的测点，计算出应力分量和形变分量，经计算得出的两个回路Ｊ积分值，相差仅为３．３３％，从而证明了Ｊ积分的守恒性。     

单边缺口拉伸试件J积分塑性因子有限元分析研究

管道环焊缝的断裂韧性测试是管道完整性评估的基础,而J积分塑性因子的准确计算是断裂韧性测试的前提.本文针对试件厚宽比B/W=2的单边缺口拉伸(single edge notch tension,SENT)试件,建立管道母材不含侧槽与侧槽深度为10％的试件三维有限元模型,研究裂纹长度、试件厚度、硬化指数、试件侧槽对J积分塑...     

短纤维填充橡胶复合材料抗撕裂性能数值研究

基于断裂力学理论，应用有限元法分析带有初始边缘直裂纹的二维橡胶板在单轴拉伸下的撕裂特性。采用随机顺序吸附(random sequential adsorption, RSA)算法在ABAQUS软件中生成短纤维随机分布的模型，研究网格尺寸和积分路径对J积分的影响；计算复合材料在不同拉伸载荷下的J积分值；分析了J积分(扩展方向平行于初始裂纹方向)随短纤维含量、短纤维长度、短纤维直径和短纤维取向角的变化关系。研究结果表明：网格尺寸和积分路径对J积分有一定的影响；J积分随拉伸载荷的增大而增大；在同一初始边缘直裂纹(a₀=6.25 mm)下，短纤维填充橡胶复合材料抗撕裂性能随短纤维含量、长度和直径的增大而提高，随短纤维取向角的增大而降低；短纤维在小角度范围内随机取向的抗撕裂性优于大角度范围内随机取向。     

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.      

中低强材料弹塑性高周疲劳裂纹扩展速率的研究

本文通过对LY12R铝合金中心裂纹拉伸(CCT)试件、紧凑拉伸(CT)小试件和30CrMnSi钢CT试件的试验,验证了测试中低强材料高周疲劳裂纹扩展速率时,可用单一参量J积分范围△J来描述疲劳裂纹从线弹性到弹塑性条件下的扩展速率da/dN,即da/dN=c(△J)~v。在计算△J时,采用了解析式计算法,使试验程序和数据处理都得到了一定程度的简化。在测试方法上,采用了ASTM E647—78T中的各项要求和程序,除取消试件满足线弹性条件的几何尺寸限制外,仅增加对计算△J的标定试验。因此,从方法上来说,可以看作是ASTM E647方法的一个补充。     

复合载荷下脆性材料紧凑拉伸试件疲劳裂纹的预制

本文针对脆性材料的紧凑拉伸（CT）试件,提出了在复合疲劳载荷作用下预制疲劳裂纹的新方法,用此方法预制出7060-T6铝合金的CT试件疲劳裂纹并测试其断裂韧性。由于采用了框架结构和螺旋结构在CT试件的两侧面施加压缩载荷,在拉伸疲劳载荷作用下产生与之方向相反的压缩疲劳载荷,形成复合疲劳载荷,引起应力强度因子范围ΔK的下降,导致裂纹扩展速率的降低,从而控制了疲劳预制裂纹长度。此压缩疲劳载荷值用贴电阻片方法和组成全桥原理测定出。在一定拉伸疲劳载荷和压缩载荷下,可成功地预制出所需的疲劳裂纹长度。     

加载角度对层理页岩裂纹扩展影响的实验研究

采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统对页岩进行冲击实验,研究层理角度对页岩动态断裂过程的影响,在裂尖设置裂纹扩展计,借助高速摄影和数字图像相关（DIC）技术对页岩中心切槽半圆盘弯曲（NSCB）试件断裂的全过程进行研究,得到了不同加载角度下页岩的动态起裂韧度、裂纹扩展速度、断裂过程中应变场和水平位移场的变化规律。实验发现:不同加载角度下,页岩的动态起裂韧度具有显著的各向异性,加载角度与动态起裂韧度呈正相关;加载角度对试样的裂纹扩展速度具有显著影响,与裂纹扩展速度呈负相关;当冲击速度较低时,切槽方向是裂纹扩展的优势方向,而当冲击速度较高时,试样会产生沿层理弱面的次生裂纹,次生裂纹对试样的断裂具有显著影响。     

试样尺寸对核电厂主蒸汽管道断裂韧性的影响研究

以某核电厂SA335 材料主蒸汽管道为研究对象,首先结合SA335 的断裂阻力曲线（J-R 曲线）试验测量结果,提出了一种方法确定韧性金属材料裂纹扩展模型（G-T 模型）中的主要微观参数：初始孔隙率0 f 和初始孔隙间距D;随后,在有限元计算中引入G-T 模型模拟了SA335 紧凑拉伸试样的断裂过程,讨论了试样尺寸对于J-R 曲线的影响．结果表明：试样厚度一致时,初始裂纹长度大的试样对应偏低的断裂韧性;当试样尺寸整体缩放时,较大尺寸的试样对应偏低的断裂韧性．最后,结合实例说明了试样整体尺寸对于主蒸汽管道临界裂纹长度的影响．     

Mixed-mode crack initiation at a v-notch in presence of an adhesive joint

The failure criterion for v-notched specimens developed for mixed-mode loadings by Yosibash et al. [Yosibash, Z., Priel, E., Leguillon, D., 2006. A failure criterion for brittle elastic materials under mixed mode loading. Int. J. Fract. 141(1), 289–310.] is generalised in order to consider the influence of the shear stresses and the mode-dependence of the toughness. This is demonstrated to be important in some cases with adhesive joints under complex loadings for instance. The original criterion assumes that an abrupt onset of a crack with a finite extension occurs when two conditions are fulfilled simultaneously: first the normal traction all along the presupposed crack path reaches a critical value, and second the onset is energetically allowed. The influence of the shear stresses is now considered through a mixed law involving critical shear and tensile stresses as well as the mode-dependent toughness introducing a new equivalent SIF. This extended criterion is applied to the simulation of an Arcan test on v-notched compact tension shear (CTS) specimens made of two parts bonded together along the geometric plane of symmetry of the specimen. The competition between two modes of failure is studied: crack initiation along the weak joint which may constitute a privileged fracture surface and initiation in the homogeneous material at an optimum angle that minimizes the critical load to failure.     

Disk-shaped compact tension test for asphalt concrete fracture

A disk-shaped compact tension (DC(T)) test has been developed as a practical method for obtaining the fracture energy of asphalt concrete. The main purpose of the development of this specimen geometry is the ability to test cylindrical cores obtained from in-place asphalt concrete pavements or gyratory-compacted specimens fabricated during the mixture design process. A suitable specimen geometry was developed using the ASTM E399 standard for compact tension testing of metals as a starting point. After finalizing the specimen geometry, a typical asphalt concrete surface mixture was tested at various temperatures and loading rates to evaluate the proposed DC(T) configuration. The variability of the fracture energy obtained from the DC(T) geometry was found to be comparable with the variability associated with other fracture tests for asphalt concrete. The ability of the test to detect changes in the fracture energy with the various testing conditions (temperature and loading rate) was the benchmark for determining the potential of using the DC(T) geometry. The test has the capability to capture the transition of asphalt concrete from a brittle material at low temperatures to a more ductile material at higher temperatures. Because testing was conducted on ungrooved specimens, special care was taken to quantify deviations of the crack path from the pure mode I crack path. An analysis of variance of test data revealed that the prototype DC(T) can detect statistical differences in fracture energy resulting for tests conducted across a useful range of test temperatures and loading rates. This specific analysis also indicated that fracture energy is not correlated to crack deviation angle. This paper also provides an overview of ongoing work integrating experimental results and observations with numerical analysis by means of a cohesive zone model tailored for asphalt concrete fracture behavior.     

冲击载荷作用下圆孔缺陷对裂纹动态扩展行为的影响规律

空腔和裂纹缺陷通常共存于深部地下岩体中,它们共同影响着岩体的结构安全性与稳定性。为了探究动力扰动载荷下圆形空腔对裂隙岩体内裂纹扩展行为的影响规律,提出了不同圆孔倾角的直裂纹空腔圆弧开口试件（circular opening specimen with straight crack cavity, COSSCC）,利用自制大型落锤冲击实验装置进行动态加载实验,同时采用裂纹扩展计系统测试了裂纹的动态起裂时刻与裂纹扩展速度等各种断裂力学参数,随后采用有限差分软件Autodyn进行裂纹扩展路径与圆孔周围应力场的数值分析,并采用有限元软件Abaqus计算裂纹的动态起裂韧度与裂纹扩展过程中的动态扩展韧度。结果表明:（1）当圆孔倾角θ小于10°时,裂纹扩展路径会偏折并穿过圆孔表面;当圆孔倾角θ为20°与30°时,裂纹扩展路径向圆孔方向发生偏折但不会穿过圆孔,圆孔具有明显的裂纹扩展引导作用; 当圆孔倾角θ为40°与50°时,裂纹扩展路径不会发生偏折,圆孔引导作用明显减弱。（2）当裂纹扩展路径达到圆孔空腔附近时,裂纹尖端的拉伸应力区与圆孔边缘的拉伸应力区发生重合,此时裂纹扩展速度显著增大,裂纹动态断裂韧度显著减小。（3）裂纹的偏折方向与裂纹尖端最大周向应力的方向基本一致。（4）裂纹动态断裂韧度始终小于裂纹起裂韧度,且裂纹动态断裂韧度与裂纹动态扩展速度呈负相关关系。裂纹动态扩展速度越大,裂纹动态断裂韧度越小。     

白桦材断裂韧度的各向异性性质

木材可视为正交各向异性材料，表征木材抵抗裂纹扩展能力的断裂韧度硒。是木材的基本力学性质之一，它具有明显的各向异性．对白桦材试样断裂韧度硒。测试结果表明，LT试样的断裂韧度明显高于TL，TR试样的断裂韧度，TL和TR试样的断裂韧度相接近．无论哪种试样类型，起裂均发生在裂纹尖端．TL，TR试样裂纹扩展方向与原裂纹初始方向一致，LT试样与前两不同，裂纹沿着几乎平行于纤维的方向扩展．并且含水率对各个方向木材断裂韧度的影响趋势是一致的．     

PZT-4紧凑拉伸试样的断裂分析

基于线性压电材料的复势理论,通过解析分析,导出了一种分析有限压电板裂纹问题的解析数值方法. 首先,计算了含中心裂纹有限板的断裂参数,与Woo和Wang的解析数值法(Int J Fract, 1993, 62: 203$\sim$218)相比较,表明该方法具有很高的精度和很好的计算效率. 随后,采用该方法和有限元法计算了PZT-4紧凑拉伸试样在绝缘裂纹面边界条件下断裂时的断裂参数,发现各断裂参数的临界值分散性很大,不能作为压电材料的单参数断裂准则. 进而,针对试样真实的裂隙形状,采用有限元法计算了裂隙尖端的应力、电位移场,比较了裂隙内介质的介电性能对裂隙尖端场的影响,计算了带微裂纹的真实裂隙模型的断裂参数并进行了理论分析.