环境助长开裂的定量评价:建模概念的发展和应用综述

近些年来,发展和应用一些定量方法的很大的推动力一直存在着,这些方法用来说明和预测在力学载荷和环境共同作用下材料和结构对裂纹萌生和扩展的响应关系。本文在简述了这些定量方法的必要性和目标之后,对某些现行方法(特别是腐蚀疲劳、蠕变疲劳、损伤累积)及基本概念作了严格的考查,这种考查的主要目的是鉴定和建立有用的观点以进一步提高目前的技术水平。为了便于参考,本文着重介绍和讨论笔者最近发展的、用以定量评价沿晶界应力腐蚀开裂(IGSCC)的模型和概念;它们依据的前提是IGSCC损伤与静态及动态加载情况下施加的应变率有关。特别是当有效应力的概念与因开裂引起承载面积损失相结合时,可断定(连续介质)累积损伤方法目前可提供一个评价裂纹扩展响应的有希望的手段。根据这些模型及概念与(包括薄膜破坏观点和电化学在内的)看来有理的力学理论的关系,对它们的重要意义进行了简要的讨论。另外,这种建模的逻辑框架与其工程应用的关系将予以阐述清楚,然后指明今后的研究工作。      

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。     

裂纹体分析的权函数理论与应用: 回顾和展望

断裂力学是工程材料和结构的疲劳与断裂分析、损伤容限设计和结构完整性评定的理论基础. 应力强度因子作为线弹性裂纹尖端奇异场的单一表征参量和裂纹扩展驱动力, 在裂纹体的断裂力学分析中发挥着关键作用. 权函数法为复杂受载裂纹体的应力强度因子求解计算提供了强有力的解析工具, 不但具有远高于各类数值解法的计算效率, 而且精度可靠, 使用方便. 本文结合笔者团队在权函数法方面的长期研究工作, 对该方法自20世纪70年代初提出至今半个世纪以来, 国际断裂界在二维和三维权函数理论与应用方面的主要研究进展作了回顾和评述, 并对其未来发展提出了展望. 主要内容涵盖: 当前国际断裂界广泛应用的3种二维裂纹解析权函数法简介和以格林函数为基准的验证评价; 三维裂纹问题的片条合成权函数法和点载荷权函数法; 权函数法在复杂受载裂纹体的应力强度因子和裂纹张开位移等关键力学参量计算、内聚力/桥连等裂纹模型分析、共线多裂纹权函数理论及其在剩余强度预测等方面的应用, 以及复杂裂纹几何的工程化权函数分析和权函数法的反向应用问题.      

基于冲击环境下粘弹性胶泥缓冲器的动力学建模

为了提高军用车辆被动悬挂系统在各种路面的平顺性,设计了一款具有单向节流阀活塞结构的新型粘弹性胶泥缓冲器,并阐述了其工作原理,分析了该胶泥缓冲器的粘滞耗能特性与弹性储能特性。在此基础上,针对粘弹性胶泥缓冲器动力学建模较复杂以及测量数据与理论数据吻合度低的问题,将粘弹性胶泥的本构模型和胶泥在缓冲器中的运动过程结合起来对缓冲器进行动力学建模,克服了传统建模中只重视胶泥材料的本构模型而忽视运动过程的缺点。分别推导了该胶泥缓冲器在进程和回程过程中的阻力公式,最后用冲击实验证明：在各种不同速度下,测量数据与理论拟合曲线最大阻力的相对误差均小于5%。该研究工作为胶泥缓冲器的优化设计和车辆悬挂系统的动力学匹配提供了理论指导。     

页岩储层应力敏感性定量评价: 思路及应用

应力敏感性定量评价是页岩油气勘探开发中公认的关键工程难题之一, 然而变应力条件下页岩孔缝尺寸及渗透率下降规律等问题至今尚无定论, 亟待深入探索. 本文从Griffith经典弹性力学解出发, 在充分刻画非均质页岩孔隙和微裂缝的基础上, 通过建立横截面为椭圆的柱体管束模型, 推导得到应力作用下岩石渗透率保持水平的计算公式, 基于此给出适宜于非均质页岩油储层的应力敏感性评价思路及覆压渗透率计算公式, 最后在中国西部和中部典型页岩油储层中开展了工程应用. 研究显示: (1) 相同应力状态下, 页岩油储层应力敏感程度由储渗空间初始长短轴比值、杨氏模量及泊松比共同控制; (2) 裂缝型页岩由于发育长短轴比值较高, 其应力敏感程度略高于裂缝发育程度较低的基质型页岩, 且杨氏模量越小, 两类页岩应力敏感程度差异性越大; (3) 在40 MPa的有效应力作用下, 裂缝型和基质型页岩油储层渗透率损耗程度最高值分别不足10%和8%, 证明页岩应力敏感程度总体较低. 应力敏感性对于页岩油原位储量及实际产能的影响程度亟需在工程实际中予以重新审视. 研究成果将为页岩油储量的精确评估和采收率的高效提升提供新的理论与实践依据.      

固体表面开裂的周期图案: II. 应用与防害

介绍古往今来人类应用热应力开裂现象的几个重要成就, 包括古代宏伟的都江堰工程中利用热应力劈山开渠, 现代地热发电站的人工网状裂纹热水库建设,艺术陶瓷开片(裂)的国宝级艺术珍品和焦炭块尺寸的热应力控制. 也介绍了热应力开裂造成灾害或灾难的预防措施与相关研究.     

应用半权函数法计算界面裂纹的应力强度因子

应用半权函数法求解双材料界面裂纹的应力强度因子，得到以半权函数对参考位移与应力加权积分的形式表示的应力强度因子。针对特征值为复数λ的双材料界面裂纹裂尖应力和位移场，设置与之对应特征值为-λ的位移函数，即半权函数。半权函数的应力函数满足平衡方程，应力应变关系，界面的连续条件以及在裂纹面上面力为0；半权函数与裂纹体的几何尺寸无关，对边界条件没有要求。由功的互等定理得到应力强度因子KⅠ和KⅡ的积分形式表达式。本文计算了多种情况下界面裂纹应力强度因子的算例，与文献结果符合得很好。由于裂尖应力的振荡奇异性已经在积分中避免，只需考虑绕裂尖远场的任意路径上位移和应力，即使采用该路径上较粗糙的参考解也可以得到较精确的结果。     

基于真实细观结构的准脆性材料三维建模及应用初探

采用连续切片的方法获取准脆性材料的表面图像,利用数字图像处理技术检测材料的细观结构并进行矢量化。通过一种简单的变换,将每一切片矢量化的细观结构转换成单层的三维结构,然后将这些切片连续的细观结构逐层叠加,形成整个试件的三维真实细观结构,并针对准脆性材料图像的特点,编制了能够批量处理数字图像并进行细观结构矢量化的程序,建立了与有限元三维网格模型之间的数据接口,模型数据可直接导入岩石三维破裂过程分析RFPA3D系统中,研究真实细观结构对准脆性材料破坏力学行为的影响。以颗粒材料为例,分析了在单轴受压情况下的三维空间裂纹的产生及扩展过程,计算结果显示颗粒分布与界面显著影响材料的破裂模式。     

双折射材料初应力的定量研究相移等达因技术的应用

文章提出两种用相移等达因技术对存在于双折射材料内部的初始应力进行定量分析的方法，并以两种常用的双折射材料Ｐ６和Ｈｏｍａｌｉｔｅ１００为例进行了内部初应力的实验研究，给出了材料内部初应力的分布。以上研究说明双折射内部初始应力不容忽视，数字相移等达因技术是双折射材料内部初始应力进行定量分析的有力手段     

裂纹纹尖弹塑性应力应变场的实验研究和数值分析

本文分别采用激光和白光DSCM(数字散斑相关测量)方法对聚碳酸脂材料的裂纹尖端弹塑性应力、应变场进行了实验研究，两种方法都取得了较好的结果,有限元计算采用了各向同性多线性随动强化的本构模型，较好地模拟了材料应力、应变曲线，并对裂纹尖端进行了有限元网格的细化,通过对实验结果和有限元计算结果的比较，可以发现两者具有相近的趋势。     

纳米硬度技术的发展和应用

近二十年来,主要用于检测材料表面微米和亚微米尺度力学性质的纳米硬度技术发展迅速.首先,概述硬度的定义、分类及其适用范围.然后,系统地总结纳米硬度技术的发展,重点介绍纳米压痕硬度的测量原理及其影响因素,连续刚度测量原理,高分辨率的载荷位移测量原理,几种常用压头的几何形状,试样表面的准备和确定,相关的测试方法,仪器校准和显微观察等问题.通过压痕实验可获得硬度、弹性模量、断裂韧性、存储模量和损耗模量、蠕变应力指数等.最后,简要介绍纳米划痕硬度测量技术的发展和应用.      

数学网格和物理网格分离的有限单元法(II):粘聚裂纹扩展问题中的应用

强化有限单元法将物理网格与数学网格分离开来,可以方便地描述非连续变形;粘聚区域模型是模拟断裂过程区作用最简单有效的方法,且可以避免裂纹尖端的应力奇异性.本文以平面问题为例,将强化有限单元法与粘聚区域模型相结合,利用富集数学节点描述任意粘聚裂纹扩展过程中的非连续变形问题,提出了裂纹扩展过程中数学节点富集和数学单元定义的方法.本文还导出了与平面4～8节点平面等参单元对应的8～16节点粘聚裂纹单元列武.最后,通过三点弯梁的裂纹扩展过程模拟验证了本文提出的粘聚裂纹扩展模拟方法的有效性.