基于表面弹性理论的开裂椭圆孔断裂力学研究

研究纳米尺度时开裂椭圆孔的III型断裂性能。基于表面弹性理论和保角映射技术,利用复势函数理论获得了缺陷(裂纹和椭圆孔)周围应力场和裂纹尖端应力强度因子的闭合解答。所得结果具有一般性,许多已有和新的解答可由本文退化的特殊情形得到。利用解析结果讨论了缺陷的绝对尺寸、椭圆孔的形状比以及裂纹的相对尺寸对应力强度因子的影响。结果表明：考虑表面效应且缺陷尺寸在纳米尺度时,应力强度因子具有显著的尺寸依赖效应;应力强度因子随椭圆孔形状比的变化规律受缺陷表面常数的影响;缺陷表面效应的影响取决于椭圆孔的形状比,非常大的形状比屏蔽了表面效应的影响;裂纹相对尺寸非常小时表面效应影响较弱,裂纹相对尺寸较大时表面效应较为明显。     

表面疲劳裂纹扩展性能曲线测试的小样本方法

提出了一种测试表面疲劳裂纹扩展性能曲线的小样本方法,该方法可以综合利用以往的经验数据和当前试验数据劳裂纹扩展性能曲线。与传统的只能利用当前试验数据确定表面疲劳裂纹扩展性能曲线相比,其可利用的信息量有了大幅度增加,所以,在精神相同的民政部下,可以节省大量试件;而且在试样数一定的情况下又可大大提高预测精度。文中还给出了一个试验对比实例。     

表面裂纹准静态扩展的有限元模拟计算

由于现有断裂准则未能考虑表面裂纹前沿各点实际断裂阻力的变化，所作的表面裂纹准静态扩展模拟计算不能很好地预测几何形貌的真实变化规律。本文提出了一个考虑应力状态不同对实际断裂阻力影响的变阻力断裂准则；并以该准则作为表面裂纹前沿局部断裂扩展的判据，通过三维有限元法进行了表面裂纹准静态扩展的模拟计算；还将模拟预测值与用多试件法测得的实验值进行比较，验证了变阻力断裂准则作为裂纹稳态扩展判据的有效性     

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．     

含表面半椭圆裂纹板裂纹尖端应力强度因子的三维光弹分析

本文用三维光弹法得到了含表面半椭圆裂纹板拉伸载荷下应力强度因子 K_Ⅰ沿整个裂纹前缘的分布及由不同裂纹深度引起的有限厚度效应,得到的实验结果与理论结果进行了比较和分析,并对角点上的奇异性进行了定性分析.     

考虑闭合效应和三维应力约束的表面裂纹扩展模拟

假定承受Ⅰ型常幅载荷下的表面裂纹在扩展中的形状保持为半椭圆,利用Newman半椭圆表面裂纹应力强度因子公式计算应力强度因子。提出了等效厚度的概念,利用穿透直裂纹的研究结果,考虑表面裂纹扩展中塑性致闭和三维应力约束效应。基于Elber模型建立了三维表面裂纹扩展模型。数值模拟了表面裂纹扩展过程,研究了裂纹形状变化及规律,计算了裂纹扩展寿命。将计算结果与有关试验结果进行了对比,吻合较好。     

基于GABP的压力容器表面裂纹断裂研究

压力容器在长期运行过程中表面裂纹问题难以避免,进行基于断裂分析的安全评估对压力容器的稳定运行具有较强的现实意义.针对二维J-积分理论难以应用于表面半椭圆裂纹,数值模拟耗时冗长的问题,论文提出一种采用三维J-积分量化压力容器表面裂纹尖端应力强度,再结合神经网络进行预测的安全评估方法.通过有限元方法计算了1200例不同几何尺寸、裂纹尺寸和内压载荷的含表面裂纹的压力容器问题,分析了半椭圆裂纹尖端三维J-积分结果,构建修正系数F表征材料性能、裂纹尖端奇异性以及容器几何特征对三维J-积分的影响.基于生成的机器学习数据集,搭建反向传播神经网络(BPNN)模型,采用遗传算法优化,形成GABPNN预测模型.结果表明：BPNN和GABPNN模型预测精度高达96%以上,在未知数据上亦可以取得较为准确的结果,可以高效地预测裂纹尖端三维J-积分,对于实现计算机辅助压力容器安全性现场快速评定提供新的思路和方法.     

高温疲劳表面短裂纹的分形研究

对2.25Cr-1Mo合金钢进行了高温疲劳实验,采用中断试验与复膜技术相结合的方法观测了试样表面疲劳短裂纹萌生、扩展及合体的演化过程,并用数据格子方法研究了含裂纹表面的分形特征.结果表明:疲劳短裂纹的萌生扩展行为具有分形特征,可以用分形理论加以描述;分形维数随着疲劳过程的继续而稳定地成比例增加;分形维数可以作为把握材料总体损伤状态的参数,可作为寿命评价的依据.     

碳纤维增强混凝土中裂纹的红外热像检测方法与机理研究

本文利用碳纤维机敏混凝土的功能特性，采用红外热像无损检测方法检测机敏混凝土构件中的裂纹损伤，该方法利用机敏混凝土的导电性和电热效应，给试样通电造成其裂缝尖端区域与其它正常部位的温差，以及温差所导致的试样表面温度的非均匀分布，借助红外热像仪，通过对试样表面温度的分析对试样内部的裂纹进行无损检测，文中对温差产生的机理也进行了分析。     

用改进的揭层技术研究含表面裂纹层压板的损伤

本文对揭层技术进行了改进,作为标记溶液的氯化金乙醚溶液用硝酸铜酒精溶液代替,并改进了标记溶液的渗透方法,采用改进了的揭层技术,对含表面裂缝正交铺层玻璃纤维/环氧层压板的损伤形貌进行了检测,并分别对表面裂缝的裂缝面形状和深度对损伤形貌的影响进行了探讨。结果表面,新的揭层枝术是方便而有效的,同时所得结果是有意义的。     

爆炸加载下混凝土表面的裂纹扩展

为深入研究内爆加载下岩土类材料的破坏机理,提出了一种新的爆炸裂纹检测算法,采用数字图像相关方法测量表面位移场和应变场,建立了裂纹扩展和扩张模型,并通过混凝土内爆试验观测裂纹扩展过程,研究了裂纹长度扩展与宽度扩张规律。结果表明,裂纹长度扩展是应力波和爆生气体共同作用的结果,裂纹最大扩展速度为225.95 m/s,平均速度为122.27 m/s,裂纹总长159.92 mm,长度扩展止于1.75 ms;裂纹的张开由气体主导,最大宽度1.59 mm,作用时间长达4.5 ms;拉应变集中区先于裂纹出现,其形状决定了裂纹的走向和趋势,爆炸加载下断裂过程区长度为骨料粒径的8～9倍。

     

表面裂纹疲劳扩展的数值模拟

建立了一种无形状约束的模拟表面裂纹在线弹性断裂力学条件下疲劳扩展的数值方法,并研究了表面疲劳裂纹形状演化和裂纹尖端应力强度因子(SIF)的分布特征。该方法以三维有限单元技术和Paris疲劳裂纹扩展规律为基础,并在裂纹扩展增量计算中考虑了裂纹闭合影响。本文第一部分主要介绍模拟三维疲劳裂纹扩展的数值方法的理论背景和相关的技术细节。着重分析和讨论基于三维有限单元法计算裂纹SIF所涉及的几个主要问题:裂纹尖端单元网格密度对估算精度的影响;自由表面的影响及其修正方法;裂纹尖端非正交单元网格的影响及修正方法。     

表面裂纹平板应力强度因子的杂交应力元-线弹簧模型方法

本文采用基于杂交应力元和线弹簧模型相结合的方法,计算表面裂纹平板的应力强度因子。结果表明,本文解和三维有限元解吻合很好,与基于位移元和线弹簧模型相结合的解相比,具有更高的精度和较宽的适用范围。     

表面裂纹问题瞬态响应的边界元分析

本文将拉氏变换-边界元法用于表面裂纹问题的瞬态响应分析。文中讨论了拉氏反演参数的选择和动态应力强度因子的计算方法。作为程序的考核和离散方案的选择,分别地计算了水平柱体一端固定、另一端受p(t)=poH(t)载荷时的位移响应和具有贯穿裂纹的厚板在两种离散方案时的动态应力强度因子响应。最后,还计算了若干载荷工况的半圆表面裂纹板应力强度因子的瞬态响应,获得了有效的数值结果。     

类岩石材料中表面裂纹扩展模式的实验研究

采用粘贴式轴拉方法实现了类岩石材料的直接拉伸实验,通过在类岩石材料试件中预制表面裂纹研究了类岩石材料中表面裂纹的扩展模式.研究发现,粘贴式轴拉方法可以满足一般类岩石材料的直接拉伸实验;类岩石材料中表面裂纹首先从试件正面开始扩展;表面裂纹的存在极大地影响着材料的破坏模式,类岩石材料在试件的正面上会表现出明显的二维穿透性裂纹的扩展形态,但是受其影响裂纹在厚度方向扩展会发生偏转,从而使得试件背面的最终贯通方向没有与加载方向垂直,而是呈一倾角,并且和表面裂纹的倾角和深度有关.     

滚动接触下的轨道表面三维裂纹研究方法

针对已有的求解三维裂纹的应力强度因子方法工作量大、难以实现复杂的三维模型建立的问题,提出了一种求解广义移动荷载下三维裂纹尖端应力强度因子的普遍方法。采用包络式三维实体建模方法,有效避免了三维裂纹有限元模型网格划分时因受限于拓扑误差容忍而出现网格划分失败的现象;通过MATLAB三维插值施加节点荷载,解决了不规则三维裂纹有限元模型施加复杂空间荷载的难题。计算结果表明:荷载中心距离裂纹中心约4mm时裂纹尖端应力强度因子达到最大值7.41×107Pa·m1/2;轮轨接触疲劳以张开型为主。此外,给出了最大应力强度因子条件下裂纹尖端塑性区的分布及裂纹扩展情况,可为轮轨滚动接触疲劳的研究及设计提供一定的参考。     

结构裂纹故障振动检测的小波分析

针对结构微小缺陷振动无损检测中难以提取含故障信息信号的难点,以含有预制裂纹的微型汽车驱动桥试件为研究对象,探索了一种采用小波分析和现代谱估计技术,提取结构受瞬态激励作用下,反映裂纹信息的微小弹性波的实验室裂纹识别方法. 试验结果表明,该方法能够较为有效地提高结构微小缺陷振动检测的信号精度.     

基于子模型法的带有表面裂纹钢丝应力强度因子研究

钢丝裂纹应力强度因子是进行钢丝疲劳断裂寿命评估、疲劳裂纹扩展分析和钢丝断裂强度评估等工作的重要参数。本文首先介绍了裂纹扩展分析软件FRANC3D,然后基于子模型法模拟研究了拉伸荷载作用下带有表面裂纹钢丝的应力强度因子,裂纹种类包括直线形裂纹和半圆形裂纹,最后拟合得到拉伸荷载作用下带表面裂纹钢丝的应力强度因子形状修正系数表达式,分析了利用该公式进行承载力评估时产生误差的原因。研究结果表明,利用子模型模拟分析拉伸荷载作用下带有表面裂纹的钢丝应力强度因子时计算精度高,计算速度快,对计算机硬件要求低;利用该方法得到的钢丝裂纹应力强度因子,在进行索承式桥梁吊索安全性能评估时,评估结果更精确。     

压电体中考虑表面效应时开裂孔洞的断裂特征

研究了反平面机械载荷和面内电载荷作用下压电体中考虑表面效应时孔边双裂纹问题的断裂特征.基于Gurtin-Murdoch表面理论模型,通过构造映射函数,利用复势电弹理论获得了应力场和电位移场的闭合解答.给出了裂纹尖端应力强度因子、电位移场强因子和能量释放率的解析解.讨论了开裂孔洞几何参数和施加力电载荷对电弹场强因子和能量释放率的影响.     

固体表面开裂的周期图案：I. 现象与原理

温度与湿度非均匀变化引起固体表面大面积周期分布的裂纹. 从火星表面陨石坑的嵌套多边形缝隙到地球田地湖泊的干旱龟裂, 从火山熔浆之河凝固成的多边形玄武岩到冰川消蚀形成的晶莹剔透的周期冰雕, 都遵循一个简明的自然法则：最小能量原理. 介绍几个典型的自然现象, 并通过一个小实验浅析它们形成时所遵循的简明自然法则.