J积分方法预测缺口疲劳裂纹形成的研究

对承受循环载荷的缺口试样,其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=α_cρ△W_0依据缺口疲劳裂纹形成过程及光滑试样应变疲劳的形变功密度与疲劳寿命的关系N_f(△W)~r=C,导出并由实验证实了缺口疲劳裂纹形成寿命的预测公式:N_i(△J/α_cρ)~β=C_n。根据这一关系式,可以较准确地预测大范围屈服及全面屈服条件下缺口疲劳裂纹形成寿命。     

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.     

循环J积分作为疲劳裂纹扩展驱动力的研究

对循环Ｊ积分ΔＪ可否作为应力强度因子幅ΔＫ不再适用的场合的裂纹扩展驱动力进行了研究。用Ｄ－Ｂ法估计了中心裂纹板（ＣＣＰ）和单边裂纹板（ＳＥＣＰ）试件受单调加载作用的Ｊ积分的塑性部分Ｊｐ，并与有限元结果进行了比较。本文还对Ｖ型和半圆切口根部萌生的短裂纹在循环载荷下进行了弹塑性大应变有限元分析。结果表明ΔＪ有一定的路径相关性，即由较靠近裂尖的积分路径得的ΔＪ值小于较远路径上获得的，两者又都小于Ｄ－Ｂ法估计得ΔＪ值，切口根部短裂纹扩展实验和表面裂纹远场大应变控制下低周疲劳实验表明，由Ｄ－Ｂ法估计的ΔＪ在一定条件下可以作为疲劳裂纹扩展驱动力，深度方向和表面长度方面的裂纹扩展率皆可由线性似合线来表示。考虑闭合效应后，ｄａ／ｄＮ－ΔＪｅｆｆ也是Ｐａｒｉｓ型关系，而且可在切口根部萌生出的裂纹很短的条件下使用     

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.     

粘弹性介质中扩展裂纹与J积分

本文提出了在线弹性及粘弹性介质中扩展裂纹与路径无关的J~*积分,并给出了严密的证明。文中证明了J~*积分与扩展裂纹尖端的张开位移(动态COD)之间有简单的关系,同时利用J~*积分求得了粘弹性介质中变速扩展裂纹尖端的奇异性。当裂纹以常速扩展时,J~*积分与能量释放率、动应力强度因子之间也有简单的关系。利用这些关系,我们给出了动态COD与动应力强度因子之间的关系式。     

反平面扩展裂纹的J积分与COD

给出一个以任意速率扩展的反平面裂纹与路径无关的Ｊ积分，证明Ｊ积分扩展裂纹尖端的张开位移（动态ＣＯＤ）之间有的简单的关系，Ｊ积分与能量释放率，动应力强度因子之间也有简单关系，利用这些关系，给出了动态ＣＯＤ与动应力强度因子之间的关系式。     

直裂纹短圆棒拉伸试样的J积分估算公式

直裂纹短圆棒拉伸试样特别适用于芯棒一类原材料的断裂韧度测试。本文在局部化约束塑性条件下，采用Ｚａｈｏｏｒ的推导方法［１－３］，获得了这种试样的非线性断裂参数Ｊ积分的估算公式。     

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。     

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。     

圆盘状裂纹前缘塑性区尺寸及张开位移估计

将Ｄｕｇｄａｌｅ模型推广到三维裂纹问题计算了圆盘状裂纹前缘塑性区尺寸,并结合断裂力学中的Ｂａｒｅｎｂｌａｔｔ－Ｄｕｇｄａｌｅ裂纹模型和三维Ｊ－积分原理计算了圆盘状裂纹前缘张开位移,得到了Ｊ－积分与裂纹张开位移的关系,最后用非线性有限元方法对圆盘状裂纹的前缘塑性区尺寸作了数值分析,确定了公式中的未知常数,并对其正确性作了数值验证,本文的工作推广了Ｄｕｇｄａｌｅ模型的应用范围。     

含币形裂纹的压电体在点力和点电荷作用下的裂纹张开位移

本文利用Chen和Shioya给出的在横观各向同性压电无限体内币形裂纹上下表面作用对称法向点力和点电荷情形下的解,结合压电材料之功的互等定,用初等函数的形式给出了在压电无限体中任意一点作用任意点力和点电荷情形下币形裂纹的张开位移,并对PZT－4压电陶瓷和非压电材料作了计算分析。     

大骨料混凝土缝端张开位移（COD）

本文通过对大骨料全级配水工混凝土的系列三点弯曲梁试验表明;混凝土缝端临介张开位移 COD 具有明显的尺寸效应,COD 不能作为控制混凝土失稳断裂的材料参数;骨料最大粒径 D_max对 COD 无明显影响。     

Estimation of Displacement Response from FBG Strain Sensors Using Empirical Mode Decomposition Technique

As an important factor in evaluating the safety of civil infrastructures, predictions of displacement become the basis for determining the decrease of structural performance and the degree of aging in general. It is, however, well known that it is not easy to measure the displacement response of civil infrastructures such as suspension bridges due to a lack of appropriate measurement techniques, despite the importance of measurements in the displacement response. Thus, as an alternative for predicting the displacement response indirectly, the conversion of the measured strain signal obtained using Fiber optic Bragg-Grating (FBG) sensors into the displacement response is suggested. In previous studies on the prediction of displacement response using FBG sensors, static displacement was mainly predicted. A known complication in the use of the measured strain signal to predict dynamic displacement is the fact that the measured strain signal includes higher modes, and that the predicted dynamic displacement can be inherently contaminated by broad-band noises. To overcome such a problem, a mode decomposition technique was used. This is a method that estimates the total displacement response combined with each displacement response about the major mode of the structure and the quasi-static displacement responses. In order to verify the suggested algorithm to predict the displacement responses from FBG strain signals, a model experiment and field tests were executed.     

用增量的路径无关积分率(T*)研究蠕变裂纹的扩展

主要研究了增量路径无关积分参数(T*)在蠕变裂纹非稳定扩展阶段的推广应用,在确定积分参数(T*)与裂纹扩展速率有线性关系的同时,对三轴应力度、塑性应变和蠕变应变等裂尖参数在裂纹扩展过程中的变化作了比较和说明.     

确定裂纹尖端形状及张开位移的焦散线—伪焦散线法实验研究

本文根据反射式焦散线－伪焦散线法和弹塑性断裂力学的基本原理，推导出裂纹尖端形状方程，为测量裂纹尖端的张开位移，提供一种全新的实验方法，本文还引用实例来进行验证．     

扩展数字图像相关方法中裂尖位移函数的表征研究

探寻适用于扩展数字图像相关方法(X-DIC)的裂纹尖端位移函数,对于提高该方法在裂尖测试精度方面具有重要意义。本文基于断裂力学裂纹尖端位移场函数,进行主导项影响分析,并探究裂尖位移函数中各项及其组合项对位移场表征的贡献程度及对测试精度的影响。通过对I型、II型及混合型裂纹进行测试,发现各项及其组合项在不同裂纹类型测试中的影响有着较大区别,从而得出在X-DIC测试计算中影响裂尖位移场表征的主导项。最后,应用上述研究成果对某航空超硬铝合金的单边裂纹进行拉伸测试。     

刚性斜桩顶部受任意力的位移的线载荷积分方程法的分析

刚性斜桩顶部受任意力作用的位移分析可以分解为在倾斜平面xoz及其法平面yoz内受力的位移分析.xoz(或yoz)平面内的位移分析,可以用集度为未知函数X(t)(或Y(t))和Z(t)的Mindlin水平点力(平行x轴(或y轴)),垂直点力,在xoz(或yoz)平面内沿桩轴[0,L]内分布,根据边界条件,可将问题归结为Fredholm第一种积分方程.用离散的方法可获数值解.文中给出数值计算的例子.计算的精度用功的互等定理来检查,并将直桩的结果与别人的直桩结果作比较.