基于能量释放率的界面断裂实验分析方法

基于对断裂力学常用实验方法的研究,结合界面断裂问题的特殊性,以断裂力学为理论基础,通过能量释放率建立了界面断裂测量的实验分析方法,并且利用文献中的实验数据进行了验证,取得了良好的一致性.该方法通过测量试验件的载荷位移关系,利用裂纹扩展过程中的能量变化关系得到该裂纹长度下的临界能量释放率;在此基础上,根据试件的阻抗能量曲线预测结构的最大承载能力.该方法以能量释放率为理论基础,为界面裂纹的强度分析提供了合理的手段,基于能量角度建立的实验分析方法也具有良好的实用性和适用性.     

功能梯度材料裂纹能量释放率

提出一个评价功能梯度材料裂纹扩展能量释放率的简单方法,用双悬臂梁柔度法推导了典型梯度材料内裂纹沿梯度方向扩展的能量释放率解析表达式,用算例分析了裂纹扩展方向不同能量释放率的差别.     

任意加载模式下含裂纹超弹性体的能量释放率

能量释放率是表征断裂性能的一个重要指标, 在经典的断裂力学中, 只给出在恒力或恒位移加载情形下通过柔度标定来确定材料能量释放率的公式, 而且仅限于线弹性材料. 但是近年来生物材料和高分子材料(如橡胶) 等超弹性材料的断裂韧性和增韧机理越来越受到研究人员的关注, 该文旨在导出一个更加通用的柔度标定公式, 从而可以确定非线性弹性材料在任意加载模式下的能量释放率, 并能判断裂纹扩展的稳定性. 在推导的过程中, 对一些重要而容易被错误理解的概念做了进一步论述.     

EFFECT OF INTERLAYER THICKNESS ON THE MODE I FRACTURE ENERGY RELEASE RATE OF SANDWICH STRUCTURE$^{\bf 1)}$

三明治结构作为载荷传递和连接元件,广泛应用于航空航天、材料表征、柔性电子等领域. 了解其断裂行为和特点能为三明治结构连接件极限载荷的设计提供理论指导. 基于改良弹性地基理论模型,本文提出了一种计算能量释放率的新理论模型,模型中考虑中间层厚度对三明治结构 I 型断裂能量释放率的影响. 结果表明,中间层厚度对三明治结构 I 型断裂的影响存在两个部分：中间层剪切力的影响及中间层引起结构刚度增大的影响. 当无量纲中间层厚度取最大值 2 时,传统模型与有限元计算结果存在 70% 以上的误差;采用本文的模型可以极大地提高精度,将误差降到 5% 以内. 相比改良弹性地基理论只适用于中间层厚度较小的情况,本理论模型的适用范围更广. 此外,利用本模型,本文选取了两个几何参数 (中间层厚度和裂纹初始长度) 和一个材料参数 (模量比) 进行研究. 讨论了剪切效应对结构几何和材料参数的敏感性. 在定载荷的基础上,讨论了几何和材料参数对能量释放率的影响;并在假定结构断裂韧性不变的基础上,得到了几何和材料参数对三明治结构临界载荷的影响规律.     

基于能量耗散的岩石脆性评价方法

脆性评价是页岩气钻井以及压裂工艺设计的重要环节.然而,现今对于脆性的定义十分模糊,且脆性评价的方法没有成熟的理论作为支撑.本文以岩石应力应变关系为基础,采用能量法来进行储层岩石脆性评价.根据断裂力学裂纹尖端的非线性场理论,以前端区作为尖端特殊的屏蔽构型,来描述储层岩石在断裂过程中能量的耗散. 通过计算本征内聚力与前端区稳态阻力比值来表征储层岩石的脆性指数. 研究表明,能量耗散相对越大,岩石的脆性指数越低,其塑性特征表现得越明显. 基于能量耗散的储层岩石脆性评价是分析岩石力学特性的重要内容,也为压裂选层提供了重要依据.      

冲击载荷下扩展裂纹尖端动态能量释放率分布的焦散线分析

借助高速摄影捕捉裂纹瞬态扩展过程,利用动态焦散线研究了含有裂纹的三点弯曲梁在冲击载荷作用下扩展裂纹尖端的动态能量释放率分布规律;综合分析了裂纹扩展时间、长度、速度,以及扩展裂纹尖端动态应力强度因子与它的变化关系,表明了动态能量释放率在裂纹扩展过程中的驱动作用。     

黏弹性界面断裂分析的增量“加料”有限元法

提出了一种适用于黏弹性界面裂纹问题的增量“加料” 有限元方法. 利用弹性界面裂纹尖端位移场的解答,通过对应原理和拉普拉斯逆变换近似方法,得到了黏弹性界面裂纹的尖端位移场. 用该位移场构造了黏弹性界面裂纹“加料” 单元和过渡单元位移模式,推导了增量“加料” 有限元方程,求解有限元方程可获得应力强度因子和应变能释放率等断裂参量. 建立了典型黏弹性界面裂纹平面问题“加料” 有限元模型,计算结果表明,对于弹性/黏弹性界面裂纹和黏弹性/黏弹性界面裂纹,该方法都能得到相当精确地断裂参量,并能很好地反映蠕变和松弛特性,可推广应用于黏弹性界面断裂问题的计算分析.      

基于单元分解的结构断裂扩展有限元法

研究并提出了一种基于单元分解的扩展有限元方法,并将其用于求解结构断裂问题。首先,将不含加强节点的四边形单元剖分为四个三角形子域,通过加权平均获得单元中心处局部应变值;其次,基于三角形子域局部应变进一步构造单元刚度矩阵稳定项。最后,将该单元分解法应用到扩展有限元法的分析中。与传统扩展有限元方法相比,该方法可有效减少积分点数量、避免复杂等参变换且能保证裂纹尖端应力强度因子的求解精度。

     

垂直界面裂纹断裂力学问题的实验研究

用实验方法研究了具有垂直界面方向裂纹的界面断裂力学问题．根据实验结果对裂尖区域的奇异性性质、角位移分布、应力强度因子等进行了分析，并将实验结果与理论结果进行了比较和讨论     

界面裂纹的路径选择与数值模拟

利用界面断裂能和荷载混合度的概念研究界面裂纹的扩展路径，利用有限元数值方法模拟界面裂纹的扩展过程，再现界面断裂的各种几何构型．研究表明，界面的断裂能和混合度完全控制了裂纹在界面附近的扩展过程．数值预测的裂纹路径与理论结果一致     

骨断裂力学概述

本文涉及近年来骨断裂力学的发展成果.对建立在张开型和剪切型断裂能基础上的方法作了回顾,并讨论了密度、试件厚度和裂纹速度对骨断裂的影响.最后简述了人股骨的试验研究.      

井筒内受压杆管后屈曲能量法分析与实验研究

目前不少理论力学教材都涉及刚体平面运动动力学方程的教学内容,但有些教材在叙述上有许多值得商榷之处.对这一重要的基本概念,本文提出作者的思考,供理论力学教学的教师与学过此内容的学生讨论.     

三维含裂纹有限大体剪切型应力强度因子能量释放率方法的封闭解

本文利用能量释放率法,导出三维含裂纹有限大体剪切型应力强度因子的封闭解。这种方法非常节省机时,可获得大量K_Ⅱ和K_Ⅲ的有用结果,所得结果与现有少量结果基本吻合。     

ELASTO-PLASTIC BRANCHED ANALYSIS FOR AN INTERFACE CRACK BASED ON CRACK ENERGY DENSITY

The elasto-plastic finite element analyses for an interface crack indissimilar material,based on the crack energy density(CED)concept,are investigatedin mode Ⅰ loading condition.It is confirmed that the values of CED almost remainstable when the notch radius ρ is sufficiently small,both in elastic and elasto-plasticcase.Numerical results for both elastic and elasto-plastic cases show that under themode Ⅰ loading condition,when the crack propagates to the more stiff material with asmall angle,the total CED will become larger than that along the interface.If thecrack heads into the more compliant material,the CED will become less than that alongthe interface.     

基于能量原理确定系泊碰撞载荷的有限元法

准确地确定出船舶系泊时的撞击载荷, 对船舶及海洋平台的强度研究都是极其重要的. 提出了通过能量原理和有限元分析确定系泊撞击载荷的方法. 碰撞时, 动能和变形能满足能量守恒, 动能是包括附连水质量在内的船体总动能, 此动能在撞击时转化为变形能, 根据变形能与载荷的关系, 求出碰撞载荷. 通过具有碰撞载荷理论解的梁的验证, 表明该方法是完全可行的. 为实际工程提供了确定护舷撞击力的理论依据和计算方法.     

三维编织CMC的弯曲断裂研究

从界面断裂的角度出发，对三维编织CMC的断裂作了理论研究和数值分析，对于三点弯曲试件，通过数值拟合修正了能量释放率G的理论表达式中的自由常数A，同时也研究了材料的各个参变量对于断裂韧性的影响，由此得出了一个基本完善的三点弯曲试件断裂韧性G的理论公式，该能量释放率方法可以应用于单试件的试验计算，与断裂韧性的柔度标定方法相比，该方法一方面可以减少试验件数量；另一方面，试验结果显示出在试件切口尺雨处于0．4≤a/W≤0.5时，可以获得比较稳定的断裂韧性值。     

A NEW INTERFACE CAPTURING METHOD BASED ON DOUBLE INTERFACE FUNCTIONS

基于代数重构思想,发展了一种新的双界面函数重构方法,并采用双正弦函数构造了双正弦界面重构方法（double sine interface capturing,DSINC）.为验证不同界面函数对界面捕捉效果的影响,用数值方法求解了可压缩五方程模型,其中对流项的离散采用五阶WENO（weighted essentially non-oscillatory method）格式,时间积分采用三阶Runge——Kutta方法,通量计算分别考虑了HLL和HLLC方法,而状态方程采用Mie-Grüneisen状态方程.在数值计算中,在界面附近,采用DSINC来获得体积分数的重构,而在远离界面的区域采用WENO格式来获得高阶插值状态.相比采用单界面函数的方法,如双曲正切界面重构方法（tangent of hyperbola for interfacecapturing,THINC）,DSINC方法同样具有界面重构算法简单,在程序中添加方便等特点,两者区别在于,DSINC方法在重构过程中未知函数更易于求解,而无需求解复杂的非线性超越方程,这就使其具有易于向多维扩展的能力.一些典型的两相流动问题,如圆形水柱对流问题,两相三波点问题和激波——界面不稳定性问题等被用作不同界面函数对界面捕捉效果的影响对比.对比分析发现,DSINC与THINC在界面捕捉效果上大致保持一致,并在计算中表现出了较好的稳定性.双界面函数重构思想可以为多相流动界面的代数重构提供了一种新的思路.     

能量有限元预示复合材料结构动响应研究进展

复合材料结构高频动响应预示是飞行器等结构设计中的重要研究内容之一.为了探讨精确预示复合材料结构高频动响应方法,分析比较了目前较为通用的3种动力学响应预示方法,指出能量有限元法最适合求解具有各向异性特征的复合材料结构高频动响应问题.紧接着概述了国内外关于能量有限元方法和该方法在复合材料结构高频动响应预示方面的研究进展.在此基础上分析了能量有限元法在预示复合材料结构高频动响应问题中尚待深入研究的问题.     

多种冲击载荷条件下的人体肋骨骨折有限元分析

旨在研究不同碰撞载荷条件下基于不同失效模型的人体肋骨骨折机理. 为此采用已验证的人体有限元胸部模型来分析人体肋骨骨折现象. 该模型基于人体解剖学结构,包含了人体胸椎、腰椎、肋骨、胸骨、肋间软骨、胸腹部器官和其他的软组织,定义的生物材料参数都基于已有的文献记载. 基于人体在损伤生物力学领域内一些较为典型的肋骨骨折失效模型,根据已发表文献中的人体标本实验载荷条件模拟了人体肋骨结构在不同冲击载荷下的骨折现象,并与这些实验结果进行了对比分析. 所引用的实验结果包括单根肋骨强度结构实验和人体胸部正面碰撞块冲击实验. 从文中有限元仿真分析的结果来看,针对不同的载荷条件,不同肋骨骨折失效模型的适用性各不相同. 该人体胸部有限元模型可用于车辆交通事故中冲击载荷条件下的人体肋骨损伤生物力学研究.      

临界产量Dupuit公式的讨论及一种新的方法

临界产量的确定对底水油藏的高效开发起着重要作用. 然而,临界产量Dupuit 公式反映临界产量随着打开程度的降低而单调增加,存在不合理的地方. 本文与一些学者的研究表明,Dupuit 公式推导过程暗含的“当临界状态时水锥正好处于井底” 的假设不合理,水锥不能稳定在井底位置. 在不作水锥到达井底的假设,假设油井上部为径向流,井底周围为半球形流动的情况下,推导出了一种新的底水临界产量方程. 算例与工程实例表明,该方法比较符合实际,能够求得临界水锥高度和对打开程度进行优化.