CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模. 首先 采用紧凑拉剪试件(CTS)和 Richard研制的复合型载荷加载装置，对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究. 实验选择了两种金属材料试件，分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用，在裂纹尖端具 有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响. 实验结果表明，疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关. 对于同样金属材料的试件，当裂尖处 初始应力场强度相等时，载荷越接近于II型，裂纹增长速率越快. 采用等效应力强度 因子(I型和II型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数，以实验数据为 基础，建立了一个疲劳裂纹扩展模型，用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率. 为验证其有效性，该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中. 实验结果与模拟计算曲线保 持一致，表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命.     

NiTi形状记忆合金裂纹尖端热力耦合行为研究

本文对NiTi形状记忆合金I型裂纹尖端热力耦合行为进行了数值仿真分析和实验验证。建立了包含相变和热力耦合的本构模型,通过有限元计算得到了裂纹尖端附近的纵向应变、马氏体体积分数和温度场分布,依据马氏体相变情况对裂纹尖端有效应力强度因子进行了修正,揭示了加载速率对形状记忆合金裂纹尖端有效应力强度影子的影响规律。参数研究表明,随着加载频率的增加,裂纹尖端附近温度逐渐升高,马氏体相变区域逐渐缩小,有效应力强度因子呈下降趋势,形状记忆合金表现出增韧效应,有助于减缓裂纹扩展。本研究结果对于揭示热力耦合作用下超弹性形状记忆合金疲劳裂纹扩展规律具有重要参考意义。     

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。     

中心直裂纹平台巴西圆盘复合型动态应力强度因子

为了指导用中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样进行岩石复合型动态断裂 试验,利用有限元法首先验证了文献中对中心直裂纹巴西圆盘(CSTBD)得到的有关结果,分析 比较了不同无量纲裂纹长度(即裂纹半长和圆盘半径之比)时两种圆盘的I, II型动态应力 强度因子的时间历程,发现两者的差异大部分在10{\%}以内,同时验证了该文数值方法的可 靠性. 然后讨论了CSTFBD试样I, II型动态应力强度因子的复合比、起裂角以及纯II型加 载角. 研究成果可为复合型动态断裂试验中CSTFBD试样的加工、试样上应变片的粘贴、起裂 方向和起裂时间的估计等提供参考.     

齿轮参数对三维裂纹应力强度因子影响的研究

建立了齿轮三维精确三齿模型,结合线弹性疲劳力学和边界元方法,运用专业断裂分析软件FRANC3D对齿轮齿根裂纹进行了数值分析,模拟求解了齿根椭圆形裂纹的裂尖三种类型的应力强度因子,并且探讨了三种应力强度因子随载荷、裂纹长度、模数、齿数、变位系数、裂纹角度等齿轮参数的变化规律。结果表明:I型、II型应力强度因子的数值在裂纹前缘呈近似于抛物线分布,而III型应力强度因子的数值在裂纹前缘呈近似于正弦曲线分布;应力强度因子随齿面载荷的变化呈线性规律;模数对裂纹两端的II型应力强度因子、裂纹中间的I型和III型应力强度因子影响较小,基本不变;齿数对应力强度因子影响较小,其在不同齿数下的最大差值仅为187 N.m-3/2;变位系数对其影响基本也呈线性变化;裂纹发生角度为60°时,I型应力强度因子比其它角度下的值都要大,因此应尽量避免产生此角度下的裂纹。本文研究为齿轮的断裂分析和寿命预测奠定了一定的基础。     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等ε_θ线体积应变能断裂准则

利用裂纹尖端附近能量的变化去建立Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂准则是有效的方法之一。本文利用Ⅰ-Ⅱ型裂纹尖端周向应变ε_θ所围成的区域内体积应变能的变化,建立了基于等ε_θ线内体积应变能Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂准则;讨论了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂中的两种应力状态下的临界荷载比值;并将准则的预测值与最大正应力理论和应变能密度因子准则预测值以及已有部分材料的实验结果进行了对比分析。结果表明,本文的理论预测值与铬锰钢、混凝土材料以及PMMA材料的实验值相比基本吻合。说明该准则对于工程材料的复合型断裂问题分析具有一定的理论意义和参考价值。     

CTS试样I/II混合型断裂特性数值计算研究

采用CTS试样研究I/II混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用。文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切（CTS）试样在I/II平面混合型加载下的裂纹扩展行为。采用ANSYS建立CTS试样I/II混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样-销-扇型夹具以及扇型夹具-销-U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析。通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性。采用最大环向应力准则（MTS）,模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因。结合文中计算结果,在CTS试样I/II混合型裂纹扩展速率实验测得裂纹长度与寿命的关系曲线a-N的基础上,便可得到材料I/II型混合型裂纹扩展速率曲线。     

三维复合型疲劳裂纹扩展试验研究与数值分析

本文在MTS810试验机上进行了不同加载角度的有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验,通过显微镜记录试样的裂纹扩展过程,同时采用扩展有限元计算出有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端应力强度因子。结果表明,不同加载角度下的裂纹扩展方向基本与外载荷方向垂直,裂纹扩展路径近似为一条直线,且裂纹扩展角度值随加载角度的增大而增加,试验结果符合最大周向应力准则;在厚度方向上,Ⅰ型应力强度因子呈拱形分布,试样厚度中心Ⅰ型应力强度因子最大,由中心向两端逐渐降低,自由表面处最小,同时发现试验过程中裂纹也是从中心开始起裂的,两者相符。Ⅱ型应力强度因子数值分布与Ⅰ型类似,趋近于自由表面时会发生微小突变,但其值总小于Ⅰ型应力强度因子,整个扩展过程中,Ⅰ型应力强度因子占主导。     

高应变率下断裂韧性实验的数值模拟

采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA程序对静态和冲击荷载作用下的含裂纹半圆弯曲(SCB)实验进行了数值模拟。根据静态实验的模拟结果,提出了适合复合型加载的Ⅰ型应力强度因子拟合公式,采用该公式计算应力强度因子的最大误差不超过10%。动态实验的模拟结果表明:对于纯Ⅰ型加载的SCB实验,动态应力强度因子随着试样半径、支座间距以及相对裂纹长度的变化呈现规律性变化;当试样半径小于60mm、相对支座间距为1.2、相对裂纹长度在0.1~0.4范围内时,惯性效应的影响较小,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差约10%;对于复合型加载的SCB实验,当相对裂纹长度为0.2~0.4、裂纹倾角在10°~40°范围内时,采用静态拟合公式计算裂尖的动态应力强度因子的误差小于10%。     

围压与径向荷载共同作用下巴西盘裂纹应力强度因子的解析解

利用权函数法推导了围压和径向荷载共同作用下,考虑裂纹面摩擦的预制裂纹巴西盘应力强度因子计算公式,从理论上分析了围压、径向荷载和裂纹面摩擦对巴西盘应力强度因子的影响。结果表明,围压对I型应力强度因子有很大影响,I型应力强度因子随围压的增大而减小。当裂纹面闭合后围压和摩擦系数对II型应力强度因子同样具有显著影响,考虑裂纹面有效剪应力的权函数法理论解与有限元数值解相吻合,表明理论分析的正确性。     

围压与径向荷载共同作用下巴西盘裂纹应力强度因子的解析解

利用权函数法推导了围压和径向荷载共同作用下,考虑裂纹面摩擦的预制裂纹巴西盘应力强度因子计算公式,从理论上分析了围压、径向荷载和裂纹面摩擦对巴西盘应力强度因子的影响。结果表明,围压对I型应力强度因子有很大影响,I型应力强度因子随围压的增大而减小。当裂纹面闭合后围压和摩擦系数对II型应力强度因子同样具有显著影响,考虑裂纹面有效剪应力的权函数法理论解与有限元数值解相吻合,表明理论分析的正确性。     

SHPB冲击加载下四种岩石的复合型动态断裂实验研究

分别用绿砂岩、黄砂岩、灰砂岩、大理岩制作了三种几何相似的(φ80mm、φ122mm、φ155mm)中心直裂纹平台巴西圆盘(CSTFBD)试样;利用分离式霍普金森压杆加载,进行了I型和I-II型复合动态断裂实验,并由实验结合有限元分析得到了四种岩石材料的I、II型动态断裂韧度KId、KIId。研究表明:动态断裂韧度均存在尺寸效应,试样尺寸对I-II型复合比和纯II型加载角均会产生影响,复合比随尺寸的增大而减小,大尺寸试样II型加载的加载角比小尺寸试样的小。同时,由于负值的T应力显著减小了裂纹的起裂角,用广义最大拉应力准则预测的起裂角更符合实验结果。     

围压对巴西圆盘应力强度因子影响的数值分析

为了验证巴西圆盘在围压作用下应力强度因子公式的正确性,论文使用有限元分析方法计算了不同相对裂纹长度下围压单独作用以及围压与集中力共同作用时巴西圆盘的应力强度因子,并与解析解进行了对比分析.计算结果表明:纯围压作用下巴西圆盘的应力强度因子的解析解与数值解结果非常接近,两者的相对误差最大仅为0.535%;围压与集中力共同作用时的I型应力强度因子解析解与数值解也非常吻合,两者计算误差很小,仅在纯II型裂纹临界加载角附近有较大误差,但最大相对误差仅为2%,从而证明了巴西圆盘在围压作用下应力强度因子公式的有效性和可靠性.计算结果亦表明:直接将试件放在液体中加压去研究围压对断裂韧度的影响,在实验方法上缺乏理论依据.     

紧凑拉剪试样中Ⅰ/Ⅱ复合型穿透裂纹的三维特性分析

进行了Ⅰ/Ⅱ复合型载荷作用下航空结构铝合金CTS试样线弹性的全场三维有限元计算,分析了复合型离面应力约束因子Tz和面内约束T应力的分布特性,研究了厚度和载荷条件对应力各分量及应力三轴性水平Rσ、应变能密度U0的影响以及这些量在实验中观察到的裂纹起裂方向上的特点。结果表明：（1）平面内约束T应力在此种试样形式下为零;（2）复合型裂纹的三维效应区与厚度成正比,为0.4-0.5B,与载荷条件基本无关,但是厚度效应随着载荷角的减小逐渐变小,到II型载荷时基本消失;（3）离面约束因子Tz随着径向和厚度尺寸的增加逐渐减小,但在周向基本不发生变化;（4）最小应变能密度U0min的方位能够表征此种材料三维复合型断裂的裂纹起裂方向。研究结果为建立三维复合型断裂准则提供了理论基础。     

层状磁电复合材料界面共线裂纹平面问题分析

本文研究了面内电磁势载荷作用下双层压电压磁复合材料中共线界面裂纹问题．考虑了压电材料的导磁性质和压磁材料的介电性质,引入了界面电位移和磁感强度的连续性条件．利用Fourier 变换得到一组第二类Cauchy 型奇异积分方程．进一步导出了相应问题的应力强度因子、电位移强度因子和磁感强度强度因子的表达式,给出了应力强度因子的数值结果．结果表明电磁载荷会导致界面裂纹尖端I、II 混合型应力奇异性,同时还伴随着电位移和磁感强度的奇异性．比较了双裂纹左右端的应力强度因子,发现在面内极化方向上施加面内磁势载荷时共线裂纹内侧尖端区域的两个法向应力场发生互相干涉增强．     

基于FE/EFG耦合方法的沥青路面裂纹扩展模拟

沥青路面裂纹在行车荷载下的裂纹扩展规律对于沥青路面的设计、维护具有重要的指导意义.通过预切口沥青混合料小梁疲劳试验,利用无网格伽辽金/有限元耦合方法,对沥青路面表面裂纹扩展进行了数值模拟,研究了面层厚度、面层模量、基层厚度、基层模量对裂纹扩展的影响规律.结果显示:随着预切口距离加载中心距离的增大,沥青混合料小梁的疲劳寿命增大,裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子减小,裂纹所表现出的Ⅱ型特性增 强;在沥青路面表面裂纹扩展过程中,应力强度因子经历一个急剧上升,达到一个极值后缓慢下降,然后又缓慢上升,最后急剧增加的过程;随面层、基层厚度的增加,表面裂纹尖端的应力强度因子降低;面层、基层模量对裂纹扩展路径的影响较大.     

T应力对光弹性条纹影响的理论分析

以裂尖弹性应力场的多参数模型为基础,研究I型、II型以及I/II混合型裂纹参数对光弹性条纹的影响. T应力的存在和符号影响着等色线条纹环的半径大小和旋转方向,对于纯I型或II型裂纹而言,条纹环的旋转角度只与T应力有关;而对于I/II混合型裂纹,条纹环旋转角度与K_{\rm I}, K_{\rm II}和T应力有关. T应力的存在使得I型裂纹在裂尖±π/3方向上出现2个各向同性点(T应力为正时),使得II型裂纹在裂尖后的裂纹面上出现1个各向同性点. 对于I/II混合型裂纹而言,当T应力为正时等倾线出现距裂尖半径不等的3个各向同性点;反之, T应力为负时在裂尖后只存在1个各向同性点,这些各向同性点分别与I型和II型裂纹情况具有相同的规律.      

THE PROBLEM OF I-II COMBINED PLANE CRACK SOLVED WITH WESTERGAARD STRESS FUNCTION

直接获得I-II复合型平面裂纹问题裂纹尖端区域的应力场是一个比较复杂的问题,在此应用Westergaard应力函数求解I-II复合型平面裂纹问题,导出了裂纹尖端区域应力分量的表达式。该方法推导过程简单,物理概念清晰,其结果与一般断裂力学教材和文献中的结果一致。同时,应用叠加原理将裂纹面上的作用力转化为裂纹外边界的受力,给出了解决裂纹面上有作用力的I-II复合型平面裂纹问题的解题方法。     

表面荷载作用下半无限层状介质中的裂纹分析

分析了半无限层状介质中的正方形裂纹。层状材料的层面互相平行,外部荷载作用在边界面上,正方形裂纹平行于层面。基于Yue基本解的数值方法和线弹性断裂力学叠加原理,首先采用一种数值方法获得无裂纹半无限层状介质的应力场,然后将计算得到的应力按叠加原理施加在裂纹面上,并采用另一种数值方法计算此情形下裂纹面的间断位移,最后采用裂纹面的间断位移计算应力强度因子。结果显示:I型和II型应力强度因子的变化与裂纹所处的位置关系密切;层状介质中的裂纹张开和滑移受到不同介质存在的影响,进而影响到裂纹的应力强度因子。建议的数值方法可用于分析复杂荷载作用下层状介质中裂纹的断裂力学特性。     

黏弹性功能梯度材料裂纹问题的有限元方法

针对组分材料体积含量任意分布的黏弹性功能梯度材料裂纹问题建立有限元分析途径. 通过Laplace变换,将黏弹性问题转化到象空间中求解,基于反映材料非均匀的梯度单元和裂纹尖端奇异特性的奇异单元计算象空间中的位移、应力和应变场,应用虚拟裂纹闭合方法得到应变能释放率,分别由应力和应变能释放率确定应力强度因子. 给出这些断裂参量在物理空间和象空间之间的对应关系,由数值逆变换求出其在物理空间的相应值. 文中分析两端均匀受拉的黏弹性边裂纹板条,首先针对松弛模量表示为空间函数和时间函数乘积的特殊梯度材料进行计算,结合对应原理验证方法的有效性. 然后分析组分材料体积含量具有任意梯度分布的情形,由Mori-Tanaka方法预测象空间中的等效松弛模量. 计算结果表明,蠕变加载条件下,应变能释放率随时间增加,其增大程度与黏弹性组分材料体积含量相关. 由于梯度材料的非均匀黏弹性性质,产生应力重新分布,导致应力强度因子随时间变化,其变化范围与组分材料的体积含量分布方式有关.