弹塑性断裂力学的一个重要进展

本文介绍了弹塑性断裂力学近年来的一个重要进展,即 J-Q 理论.这个理论采用双参数 J与 Q 来表征幂硬化材料中的裂纹,其中 J 表示 J 积分,表征裂纹尖端附近高应力或高应变区的尺度,Q表示应力的三轴度(或约束度),表征应力的幅度.J-Q 理论是现今弹塑性断裂力学单参数 J 理论的重要改进,在理论上与应用上均具有重要意义.     

弹塑性平面Ⅰ型裂纹应力场的一个摄动解析解

本文利用摄动方法,得到了幂硬化材料平面Ⅰ型裂纹端应力奇异场的一个解析表达式,并与HRR数值结果进行了比较。分析表明:当硬化指数在[1,∞)变化时,应力场的结构形式不发生变化,为三角函数的线性组合。在一定的幂硬化指数变化范围内,解析解是数值解的很好近似,对应力分量σ_(θθ)和σ_(vθ),这一特点尤为突出。该解析解形式简洁,明了,可为弹塑性断裂的工程应用提供方便。     

金属材料单轴拉伸变形规律的研究

本文对五种钢和四种高温合金的单轴拉伸变形规律进行了研宄.结果表明:在均匀变形阶段,大多数材料的应力应变关系分段地服从幂乘律σ=εn,但硬化指数n并不等于最大均匀真应变εu;在不均匀变形阶段,应力应变关系多服从线性律.本文测定出七种材料在不均匀变形阶段缩颈曲率半径R随(ε-εu)的变化规律,证实了a/R∝(ε-εu),比例系数在0.6-1之间.     

幂硬化材料中准静态定常扩展裂纹的研究

本研究根据问题的支配方程组以及高-黄假设对幂硬化材料中裂纹的准静态定常扩展作了渐近分析,文中从扩展裂纹尖端附近的弹性变形与塑性变形必须保持平衡的观点对反平面应变、平面应变和平面应力三类裂纹作了统一的考察与分析,裂尖附近应力场确定为(1n r)~(2/(n-1))阶奇性,并对前两类裂纹问题作了渐近分析,指出:根据本文分析结果及文献中习用的组装渐近场的方法,可以获得无强间断的,Ⅲ型裂纹和平面应变I型裂纹的最低阶渐近解。按本文所用本构关系,硬化指数n及无因次材料常数(σ_y/E)/ασ_y~n或(σ_y/G)/ασ_y~n对渐近场的角分布都有影响。     

用全息和散斑干涉法对含穿透裂纹的有限宽薄板进行弹塑性分析

本文用激光全息和散斑干涉法,测量了含中心疲劳裂纹、双边切缝、45°斜切缝的有限宽铝合金板试件(LY12—CZ),在均匀单向拉伸载荷作用下,直至大范围屈服时,裂纹尖端附近区域的三维位移场.给出了下列结果:①裂纹尖端塑性区的尺寸、形状随载荷增加的变化情况.中心疲劳裂纹与双边切缝试件的裂纹尖端塑性区形状的比较;②裂纹尖端特征点的COD—σ/σ_s 曲线,裂纹起裂点的张开位移δ_(?)(即COD);③试件对称轴上一定标距内△—σ/σ_s 曲线,标称应变ε_0与载荷比σ/σ_s 关系,即ε_0—σ/σ_s 曲线,实验表明标称应变ε_0是衡量试件屈服情况的参数;④定量地测定了裂纹尖端附近的位移场;⑤裂纹尖端附近的应变场;⑥对失稳断裂载荷进行了塑性极限分析.并将上述结果与有关理论,实验及数值计算结果进行了比较.     

缺口疲劳裂纹形成的J积分分析

进行了循环载荷的缺口顶端局部应变和形变功密度的循环J 积分分析和实验标定,证实:缺口顶端形变功密度依赖于循环J 积分和缺口半径ρ之比,即:△J/ρ=α_c△W_0通过对缺口疲劳裂纹形成过程的分析,并依据上述关系和光滑试样应变疲劳关系N_(?)(△W)~(?)=c,提出了予测缺口疲劳裂纹形成寿命的公式:N_i(△J/α_cρ)~β=c_n进行了各种缺口试样,在各种载荷条件的疲劳裂纹形成实验,结果证明,对不同应力比R 的载荷,在各种形变程度:从线弹性至全面屈服,疲劳裂纹形成寿命N_i 和△J/α_cρ均满足此关系式.分析比较了△J/α_cρ和缺口疲劳领域的另两个常用参量△K/ρ~(1/2)和1/2△ε之间的关系,△J/α_cρ较后两者有更广泛的适用性.     

用三维有限元模型计算复合材料粘接修补裂纹板的J积分

用复合材料单边粘接修补带裂纹金属板是三维应力问题,而采用简化的二维有限元分析模型计算则有一定近似性。本文建立了三维有限元模型,并计算了其断裂参数J积分。计算分析结果表明,厚度方向上J积分值是变化的,并且修补边比未修补边的J积分值有明显减小;修补前后裂纹面的张开位移明显不同;裂纹板模型的J积分值与裂纹长度在修补前为二次关系,修补后,变成线性关系;粘胶和补片的厚度、粘胶的模量对J积分的影响比较显著。为了提高修补性能,需要对粘胶和补片的几何尺寸和材料性能进行优化。     

层状非均匀材料边裂纹引起的J积分变化量分析

均匀材料无裂纹时沿封闭路径的J积分为零,层状非均匀材料无裂纹时沿封闭路径的J积分通常不为零且与路径相关。在位移载荷保持不变条件下引入裂纹会使J积分改变,本文分析引入裂纹所导致的远场J积分变化量,即有裂纹时与无裂纹时沿同一远场路径的J积分之差,其值等于裂尖J积分与界面J积分变化量之和。对于层状非均匀材料,虽然无裂纹时和有裂纹时的远场J积分、界面J积分都与路径相关,但当积分路径远离裂尖后,有裂纹与无裂纹时的远场J积分之差、界面J积分之差与路径无关,引入裂纹所引起的远场J积分变化量等于边界应变能密度释放量沿边界的积分。对于均匀材料半无限大平面的边裂纹,裂纹能量释放率等于无裂纹时应变能密度与8倍裂纹长度的乘积;对于层状材料的边裂纹,裂纹能量释放率等于应变能密度释放量沿边界的积分减去界面J积分变化量。     

J积分在分层非均匀介质裂纹问题中的应用

本文对分层非均匀介质裂纹问题的J积分进行了研究,旨在把J积分方法用于焊接接头或分层复合材料的断裂分析。利用弹塑性有限元和本文给出的分层介质J的数值计算方法,在各种载荷水平下对含有软夹层的非均质中心裂纹板的J值进行了计算。软夹层中的裂纹平行于或垂直于夹层与基体的分界,分别按Rice的J积分定义和本文的适用于一般多层介质裂纹问题的J的修正定义进行分析计算。考察了软夹层相对宽度对J积分值的影响。     

表面裂纹蠕变分析的蠕变线弹簧模型方法

鉴于用通常的数值方法分析三维蠕变裂纹问题的困难,提出了一个三维表面裂纹蠕变断裂力学参量分析的蠕变线弹簧模型方法,并在非稳态蠕变条件下的位移、裂纹尖端J积分和C积分的工程估算公式及弹塑性线弹簧模型的基础上,建立了蠕变线弹簧模型方法的有关基本方程．具体分析计算了受均匀拉伸表面裂纹平板的J积分和C积分,并与三维有限元解进行了比较,其结果吻合良好．研究结果为进一步研究三维表面裂纹的蠕变扩展及寿命预报提供了基础．     

三维约束下幂硬化双材料界面裂尖场分析

本文用Ｊ２形变理论分析了三轴应力约束下，由具有不同硬化指数和硬化系数的幂硬化材料构成的界面裂纹问题．通过在本构方程中引入三轴应力约束因子Ｔｚ，我们考虑了三维约束效应对裂尖场的影响．计算结果表明，三轴应力约束对裂尖场的分布，尤其是对径向应力σｒ和有效应力σｅ有重要影响．本文还探讨了三轴约束和材料性能对裂尖应力奇异性的影响     

试样尺寸对有限裂纹扩展的J_R阻力曲线的影响

作者将两种强度级别的18CrNiW 钢:σ_(0.2)=60.4kgf/mm~2(L 钢)和σ_(0.2)=83.6kgf/mm~2(H 钢),制成厚度从10mm 到95mm,共11种尺寸的三点弯曲试样,采用多试样法,在有限裂纹扩展(△α≤2.5%B 及≤5%b)条件下,测定了材料的J 积分阻力曲线.其中H 钢50×100mm 的大试样已接近K_(1c)的尺寸要求,所测得的K_(1c)约为470kgf·mm~(-3/2).试验表明,当试样尺寸满足了J 判据有效性条件时,对试验材料B,b≥50(J_(0.05)/σ_(0.2)),J_R 阻力曲线对试样尺寸不敏感.因此,J_R 阻力曲线可以用来表征材料裂纹稳定扩展阻力特性.本试验测得L 钢的J_(0.05)=9.4kgf/mm,dJ/dα=27kgf/mm~2;H 钢的J_(0.05)=7.3kgf/mm,dJ/dα=16kgf/mm~2.对于H 钢裂纹扩展量0.2mm 的J_R 值,即J_(0.2)(=9.7kgf/mm,由此换算的K_R 值=473kgf·mm~(-3/2))与大试样的K_(1c)值有很好的对应关系.     

基于数字散斑相关法的紧凑拉伸试样断裂韧性实验研究

本文采用数字散斑相关方法对2A12T4铝合金紧凑拉伸试样的断裂韧性进行了实验研究。应用数字散斑相关方法计算了实验过程中试样的应变场、应力场以及位移场。针对实验所得的结果以及紧凑拉伸试样的裂纹特征,采用了矩形积分路径。选择沿裂纹方向和垂直裂纹方向的J积分路径,并且推导出各方向上J积分的数值计算公式。根据推导得到的公式选择不同的积分路径进行J积分的计算,得到了断裂韧性J0积分路径的合理选择范围,同时验证了J积分的路径守恒性。然后根据所得的路径选择标准,选择合理的积分路径,计算出2A12T4铝合金断裂韧性J0的值。将所得结果与国标计算的J0值对比,误差为1.22%,说明了此种方法的正确性。从而为数字散斑相关方法在紧凑拉伸试样断裂韧性的测试研究中提供参考。     

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.     

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.      

幂硬化剪切界面层效应的复合材料桥联分析

对具有幂硬化塑性剪切界面层效应的复合材料桥联进行断裂力学分析，得到了桥联增韧和裂纹张开位移的控制方程，并按照非线性Ｖｏｌｔｅｒｒａ型积分方程的迭代解给出其数值结果。并详细讨论界面相参数对桥联效应的影响。     

脆性材料的扩展裂纹前缘形态与三维J积分

本文利用超声波断口图技术对不同类型的PMMA试件进行了测试。这些试件为承受均匀拉伸或三点弯曲变形的带单侧贯穿裂纹的PMMA板，其中拉伸试件又分为光面和带表面沟槽的两种。得到了这些试件断口上的超声波线。发现它们为平面线．其凸凹方向与试件的表面状态有关。基于有限元法，计算了试件的三维J积分，考察了杨氏模量和泊松比对其的影响．结果发现泊松比影响J积分曲线形状，而杨氏模量只影响其绝对数值，不影响其曲线形状。得到的试件在不同裂纹长度下的三维J积分与它们断口图上的超声波线的形状和凸凹方向相似。说明在脆性材料中，扩展裂纹前缘曲线形态是三维J积分的作用的结果。     

平面应变状态下不可压缩幂硬化蠕变材料中刚性片状夹杂的奇异场和局部解

本文采用Williams特征展开方法结合Lee伪应力函数方法得到了平面应变状态下不可压缩幂硬化蠕变材料中刚性片状夹杂物的奇异场和局部解.研究发现,夹杂物尖端的应力奇性为r~(-m/2),与幂硬化指数m有关;而应变奇性为r~(-1/2),与幂硬化指数无关.本文通过选择积分路径给出了近尖的局部解,并用显函数的形式给出了近尖应力和位移的角变化.     

刚性-粘弹性材料界面Ⅰ型动态扩展裂纹的尖端场

裂纹尖端渐近场的研究是断裂力学研究的重要课题之一。为了研究粘性效应作用下的界面动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了刚性.粘弹性材料界面Ⅰ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)。当n→∞,幂硬化粘弹性材料动态扩展裂纹尖端场与Freund给出的理想塑性材料动态扩展裂纹尖端场具有相近的奇异量级;结合运动和协调方程,推导出粘弹性材料动态扩展裂尖场的控制方程。根据问题的边界条件和连续条件,通过数值计算,得到了裂纹尖端连续的分离变量形式的应力、应变和位移场。数值计算表明,裂纹尖端场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制,这为解决工程实践中所遇到的相应的问题和建立材料的破坏准则提供理论的参考。     

幂软化损伤材料Ⅲ型动态裂纹尖端的渐近场

利用幂软化损伤模型，对Ⅲ型裂纹进行了详细的研究。给出了本构方程及渐近方程。位移、应变和应力用对数级数展开，揭示了场的渐近特性。其结果表明，应力和应变分别具有如下的奇异性：σ－（ｌｎＲ／ｒ）＾１／ｎ＋１，ε－（ＬｎＲ／ｒ）＾ｎ／ｎ＋１。