基于M积分的脆性材料微缺陷等效损伤面积/体积表征

随着脆性材料在工程中的广泛应用,对脆性材料中微缺陷进行统一的损伤水平标定,具有重要的科学研究和工程应用价值.本研究提出一种基于M积分的材料等效损伤面积/体积标定方法,以具有相同M积分值的圆孔面积或球孔体积来标定复杂微缺陷构型的损伤水平,从而实现不同类型微缺陷真实损伤水平的统一表征.首先,基于Lagrangian能量密度函数推导了M积分定义式,并简述了M积分的物理意义,基于域积分方法实现二维/三维M积分的数值计算.随后,提出了基于M积分的材料缺陷等效损伤面积/体积标定方法,以圆孔面积/球孔体积来标定复杂微缺陷材料系统的损伤水平.最后,针对单轴拉伸载荷作用下的二维/三维脆性体含不同缺陷构型,具体计算了椭圆孔、裂纹以及双裂纹、双孔洞、裂纹和孔洞干涉等复杂缺陷构型情况下的等效损伤面积/体积,并详细分析了缺陷之间的干涉效应及影响因素.本研究旨在基于M积分等效方法量化脆性材料中各类微缺陷造成的损伤程度,实现损伤等级标定,有益于工程材料及结构的损伤容限设计及完整性评估.     

损伤体有效弹性性质的细观分析和不变性描述—— 一个考虑微缺陷相互作用的一般理论模式

通过引进微缺陷相互作用张量，建立了一个二维情况下考虑微缺陷（微裂纹或微孔洞）间相互作用的损伤固体有效弹性性质的一般理论模式模型中考虑了微缺陷的几何形状、取向分布和空间分布所造成的有效柔度张量的各向异性和材料中微缺陷之间的相互作用所引起的损伤柔度张量的高阶效应针对微椭圆孔、微圆孔和微裂纹问题，求得了相互作用张量的解析形式     

损伤体有效弹性性质的细观分析和不变性描述—— 一个考虑微缺陷相互作用的一般理论模式

通过引进微缺陷相互作用张量，建立了一个二维情况下考虑微缺陷（微裂纹或微孔洞）间相互作用的损伤固体有效弹性性质的一般理论模式模型中考虑了微缺陷的几何形状、取向分布和空间分布所造成的有效柔度张量的各向异性和材料中微缺陷之间的相互作用所引起的损伤柔度张量的高阶效应针对微椭圆孔、微圆孔和微裂纹问题，求得了相互作用张量的解析形式     

M积分与夹杂/缺陷弹性模量的显式关系

M积分在材料构型力学中表征着缺陷自相似扩展的能量释放率,而有效弹性模量下降量在传统损伤力学中是一个具有内变量属性的损伤参数. 探讨了两者之间的特定关系,以此为材料构型力学与损伤力学搭建桥梁.借助穆斯海里什维利（Muskhelishvili）复势函数方法获取无限大弹性平面含圆形夹杂的弹性场解,根据M 积分的复势函数解析表达式得到M 积分与夹杂弹性模量的显式表达式. 随后通过有限元分析,对含复杂缺陷群的弹塑性材料进行数值模拟,结果表明内部缺陷区域的有效弹性模量下降与M 积分存在着特定关系. 基于此,提出利用材料构型力学中的外变量参数（M 积分）来替代损伤力学中的内变量参数（弹性模量下降量）描述材料的缺陷演化.      

M积分与夹杂/缺陷弹性模量的显式关系简

M积分在材料构型力学中表征着缺陷自相似扩展的能量释放率,而有效弹性模量下降量在传统损伤力学中是一个具有内变量属性的损伤参数. 探讨了两者之间的特定关系,以此为材料构型力学与损伤力学搭建桥梁.借助穆斯海里什维利（Muskhelishvili）复势函数方法获取无限大弹性平面含圆形夹杂的弹性场解,根据M 积分的复势函数解析表达式得到M 积分与夹杂弹性模量的显式表达式. 随后通过有限元分析,对含复杂缺陷群的弹塑性材料进行数值模拟,结果表明内部缺陷区域的有效弹性模量下降与M 积分存在着特定关系. 基于此,提出利用材料构型力学中的外变量参数（M 积分）来替代损伤力学中的内变量参数（弹性模量下降量）描述材料的缺陷演化.     

粉末冶金材料各向异性连续型损伤模型研究

在采用微裂纹扩展区描述脆性材料损伤状态的基础上,通过引入颗粒度大小和微裂纹概率分布密度函数来研究粉末冶金材料特征体积单元的损伤演化.同时结合Hill自洽模型采用空间混合平均的方法,可考虑粉末冶金材料的微结构特征及微裂纹间相互作用的影响,可描述粉末冶金类材料的各向异性连续型损伤.     

CRACK INTERACTING WITH AN INDIVIDUAL INCLUSION BY THE FRACTURE CRITERION OF CONFIGURATIONAL FORCE

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂（圆孔、软夹杂、硬夹杂）干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45°时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

基于构型力断裂准则的裂纹与夹杂干涉问题

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂(圆孔、软夹杂、硬夹杂)干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45?时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

材料构型力学及其在复杂缺陷系统中的应用

基于材料构型力学描述复杂缺陷力学系统中的破坏行为, 可以为预测材料临界失效载荷和评估结构完整性提供新的思路. 首先, 通过对拉格朗日能量密度函数的梯度、散度、旋度操作分别获取3 类材料构型应力张量的定义式、平衡方程、物理意义以及其对应的守恒积分表达式. 其次, 基于材料构型力学概念建立描述材料屈服的屈服准则、预测裂纹起裂的断裂准则、以及评估复杂缺陷系统最终失效的破坏准则. 然后, 利用数字散斑图像相关技术, 开发材料构型力学相关参量的无损测量方法. 最后, 将材料构型力学概念应用于纳米损伤力学和铁电多晶材料的断裂力学中, 为此类新型材料的损伤水平评估提供理论支撑.      

准脆性材料断裂过程区中的圆饼微裂纹损伤计算

准脆性工程材料及结构在外力作用下,不仅引起内部缺陷变化和微裂纹的出现及发展,且使得其结构承载能力降低或性能劣化．在其材料失效过程中常存在裂缝与断裂损伤过程区．为研究材料细观缺陷或微裂纹与宏观破坏的规律,通过细观力学方法,对于代表性体积单元RVE中的圆饼型微裂纹的尺寸与密度变化,探讨其宏观断裂过程区力学参量与损伤之间的量化关系．借助宏观断裂过程区的黏聚裂纹模型,将损伤单元RVE嵌入到宏观裂缝端部的断裂过程区中,对其进行联接细观损伤到宏观破坏的力学多尺度研究．文中也通过实验数据,对其理论计算结果进行了算例的讨论与分析．     

Measurement of the M-integral for a Hole in an Aluminum Plate or Strip

A method using Digital Image Correlation (DIC) is proposed to measure the M-integral in an elastic rectangular plate and elastic–plastic strip made of LY12 Aluminum where a hole is located at center as a defect. The path-independence property of the M-integral is verified by selecting a few of closed contours to evaluate the M-integral. It is found that the measured values of the M-integral are path-independent when the closed contours are far from the nonlinear plastic zone. In contrast, large deviations occur in determining the M-integral among different integral contours when the contours pass through the plastic zone. The present study demonstrates that DIC method used by the ARAMIS 4 M instrument and the proposed smoothing technique for evaluating the measured displacements do provide the effective tools to measure the M-integral in describing the local damage of elastic and elastic–plastic materials. This technique could be extended to measure the M-integral for other complicated damage, e.g., multiple defects with different shapes in a local region.     

随机孔隙缺陷对3D编织复合材料力学性能的影响研究

3D编织复合材料经RTM工艺成型将难以避免产生孔隙缺陷,孔隙缺陷主要包括纤维束内干斑和富树脂区孔隙。经分析RTM工艺孔隙缺陷的产生机理,提出了随机孔隙缺陷分布模型,建立了基于细观胞元的含孔隙缺陷有限元分析模型,并应用概率统计方法,分析了缺陷的随机分布和孔隙率对材料等效弹性性能的影响,可为3D编织复合材料力学性能的设计提供依据。     

岩石裂纹演化及其力学特性的研究进展

综述评介了岩石裂纹（缺陷）演化及其力学特性研究的近期进展．其内容包括：微细观裂纹演化及其力学特性,时间相关性,裂纹扩展与岩石破坏,并结合某些工程问题进行了讨论．     

伴随微孔洞生长的裂纹弹塑性定常扩展

裂纹在韧性材料中扩展时,将们随着微孔洞的萌生和生长,孔洞的萌生和深化将直接影响着材料的总体断裂韧性和强度,以往的研究主要集中在将裂纹的扩展刻划为微孔洞的萌生、生长和汇合这样一个过程。从传统的断裂过程区模型出发研究微孔洞的萌生和生长对材料总体断裂韧性的影响,通过采用Ｇｕｒｓｏｎ模型,建立塑性增量本构关系,然后针对定常扩展情况直接进行分析,孔洞对材料断裂韧性的影响由本构关系刻划,而在孔洞汇合模型中,上     

内爆炸载荷下圆管变形、损伤和破坏规律的研究

以物理统计和唯象研究相结合的方法,建立了微孔洞型的损伤函数模型和损伤演化方程,以变形热力学,Ｄｒｕｃｋｅｒ公设和内变量理论为基础建立了含损伤热塑性材料的增量型本构关系,用所建立的本构关系及损伤演化方程对内部爆轰作用下的圆管破坏过程完成了系列数值模拟,数值结果与实验结果相比较,在圆管变形过程,破坏时间,破坏速度,破坏应变,破坏应变率等信息方面都是基本一致的。     

Failure criterion of a solid with a hierarchy of defects of the same physical type

A multi-scale percolation model of solids failure under loading has been proposed. It is associated with an infinite cluster of microdefects of the same physical type and takes into account a random distribution and size of defects in a space volume. A percolation criterion is given in terms of defect size distribution and defect scale correlation. Analyzed is the validity of scaling defects in solids undergoing failure.     

用三维电镜图像数据测试空穴形状

用碳化硅强化金属基复合材料制作的不同切口的拉伸试样进行了拉伸试验并使用三维电子扫描显微镜对拉伸延性断面进行了微小空穴的三维形状测试，分析了在不同应力三维度下空穴聚合时空穴几何形状的变化，为准确模拟金属基复合材料在多向外载荷下的损伤过程，判断延性损伤机理提供了科学依据。