脆性断裂的非局部力学理论

本文提出一种脆性材料断裂的非局部力学理论,内容包括:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型Griffith裂纹的非局部弹性应力场,裂纹尖端邻域非局部弹性应力场的渐近形式,脆性开裂的最大拉应力准则。文中给出了这种理论应用于三种基本型裂纹和Ⅰ-Ⅱ、Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹临界开裂条件的计算结果,并把它们与一些试验资料和最小应变能密度因子理论进行了对比。     

岩石张拉与剪切断裂的比较

本文探讨了岩石Ⅱ型裂纹剪切断裂韧性的测试方法，并把结果与１型断裂及Ⅱ型裂纹和Ⅰ型扩展的断裂韧性、厚度效应及断裂机理等方面之间的差异进行了比较讨论。     

复合加载下疲劳裂纹扩展速率研究

本文提出了一种计算曲折裂纹尖端应力强度因子的简单方法。对一种油井钻杆材料在不同Ⅰ－Ⅱ复合比加载下的疲劳裂纹扩展行为的研究表明，Ⅱ型成分成对裂纹扩展速率有两种趋势相反的影响作用，并得到了一个计算复合型裂纹扩展速率的Ｐａｒｉｓ形式的公式。     

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。     

热机载荷作用下三维界面裂纹问题的权函数法分析

热机载荷共同作用下双材料和复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处,并且工程中实际遇到的裂纹大多数是三维裂纹.由于通用权函数仅仅与裂纹体的几何形状有关,与载荷、时间无关,因此在求解复杂冲击载荷下界面裂纹应力强度因子随时间的变化过程时,避免了反复的应力分析,计算效率得到提高.根据Betti互易原理,论文推导出三维界面裂纹问题通用权函数法的普遍表达式,并给出了热机载荷共同作用下三维界面Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹问题通用权函数法的有限元格式.通过与实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到满意的工程应用精度.     

中心直裂纹平台巴西圆盘复合型动态断裂实验研究

制作了中心直裂纹平台巴西圆盘（cracked straight through flattened Brazilian disc-CSTFBD）试样,利用分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar-SHPB）加载,进行了岩石纯Ⅰ型和复合型（Ⅰ＋Ⅱ型）动态断裂实验。由于加载角（载荷方向与裂纹线的夹角）在制作试样时已经通过裂纹线与试样平台的位置关系确定,因此在实验中可以方便而准确地实施加栽。比较了纯Ⅰ型加载和复合型加载下压杆上记录的入射波、反射波和透射波的波形。采用实验与数值相结合的方法,将实验得到的动态载荷输入有限元程序,得到了纯Ⅰ型试样的动态断裂韧度和复合型试样的两种动态应力强度因子的时间历程。计算了加载角为15°的试样应力强度因子的复合比（KI（t）／KⅡ（t））,此计算值与文献结果吻合较好,验证了实验方法的有效性。     

CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性数值计算研究

采用CTS试样研究Ⅰ/Ⅱ混合型断裂特性计算裂纹前缘应力强度因子时可采用解析公式,一旦裂纹发生扩展,解析公式便不再适用.文中采用有限元法研究紧凑拉伸剪切(CTS)试样在Ⅰ/Ⅱ平面混合型加载下的裂纹扩展行为.采用ANSYS建立CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型测试系统有限元模型,为模拟真实受力状态,在CTS试样-销-扇型夹具以及扇型夹具-销-U型夹具之间分别建立接触对进行接触力学分析.通过与解析公式结果进行对比验证了该数值方法的可靠性.采用最大环向应力准则(MTS),模拟了CTS试样不同加载角度下的裂纹扩展路径,获得了裂纹扩展路径中应力强度因子随裂纹长度的变化曲线,解释了裂纹扩展路径不与外载荷方向垂直的原因.结合文中计算结果,在CTS试样Ⅰ/Ⅱ混合型裂纹扩展速率实验测得裂纹长度与寿命的关系曲线a-N的基础上,便可得到材料Ⅰ/Ⅱ型混合型裂纹扩展速率曲线.     

三点弯曲型试件Ⅰ/Ⅱ复合型断裂的数值与实验研究

三点弯曲试件常被用来研究材料的纯Ⅰ型及Ⅰ/Ⅱ复合型断裂性能。使用Abaqus软件通过有限元法获得三点弯曲试件不同跨长比2S/L、相对裂纹长度a和裂纹倾角β下的Ⅰ型与Ⅱ型无量纲应力强度因子。由有限元结果可知,在相对裂纹长度一定时,跨长比越小,裂纹倾角越小,Ⅰ型无量纲应力强度因子可取得0,即越容易得到纯Ⅱ型断裂。当跨长比相同时,相对裂纹长度越大越容易得到纯Ⅱ型断裂。使用6组共24个三点弯曲试件,研究砂岩的纯Ⅰ型、纯Ⅱ型以及复合型加载时的断裂韧度,得到该种砂岩的纯Ⅰ型断裂韧度为0.786MPa·m0.5,纯Ⅱ型断裂韧度为0.344MPa·m0.5。实验结果与最大周向应力(MTS)准则和广义最大周向应力(GMTS)准则的预测结果进行对比,比较结果显示GMTS准则更能准确地预测实验结果。     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等ε_θ线体积应变能断裂准则

利用裂纹尖端附近能量的变化去建立Ⅰ-Ⅱ型裂纹断裂准则是有效的方法之一。本文利用Ⅰ-Ⅱ型裂纹尖端周向应变ε_θ所围成的区域内体积应变能的变化,建立了基于等ε_θ线内体积应变能Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂准则;讨论了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂中的两种应力状态下的临界荷载比值;并将准则的预测值与最大正应力理论和应变能密度因子准则预测值以及已有部分材料的实验结果进行了对比分析。结果表明,本文的理论预测值与铬锰钢、混凝土材料以及PMMA材料的实验值相比基本吻合。说明该准则对于工程材料的复合型断裂问题分析具有一定的理论意义和参考价值。     

聚碳酸脂板快速扩展裂纹的弹塑性研究

本文实验观察研究了聚碳酸脂板Ⅰ型裂纹失稳扩展的特征.由修正的 Dugdale 窄带屈服模型,用实验-数值计算混合法确定了动态延性裂纹顶端附近的应力场参数.理论计算与实验测定结果相符合.本文的工作对研究延性断裂机理及裂纹扩展准则的研究是有意义的.     

三维复合型疲劳裂纹扩展试验研究与数值分析

本文在MTS810试验机上进行了不同加载角度的有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验,通过显微镜记录试样的裂纹扩展过程,同时采用扩展有限元计算出有机玻璃三维Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端应力强度因子。结果表明,不同加载角度下的裂纹扩展方向基本与外载荷方向垂直,裂纹扩展路径近似为一条直线,且裂纹扩展角度值随加载角度的增大而增加,试验结果符合最大周向应力准则;在厚度方向上,Ⅰ型应力强度因子呈拱形分布,试样厚度中心Ⅰ型应力强度因子最大,由中心向两端逐渐降低,自由表面处最小,同时发现试验过程中裂纹也是从中心开始起裂的,两者相符。Ⅱ型应力强度因子数值分布与Ⅰ型类似,趋近于自由表面时会发生微小突变,但其值总小于Ⅰ型应力强度因子,整个扩展过程中,Ⅰ型应力强度因子占主导。     

光弹性五参数法确定Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子

在考虑远场非奇异应力σax、σoy、τ0影响的基础上,建立了Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子与等差线条纹上点的极坐标间的非线性方程,为通过该方程确定应力强度因子,将θ=0及θ=π/2两极轴与三等差线条纹交点的坐标先后代入方程,并利用差分法得到了一种光弹性法确定Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子的五参数法。作为实例,本文测定了环氧树脂及聚碳酸酯在不同载荷、不同裂纹条件下的应力强度因子,并将所得结果与相应的理论计算值及三参数法的结果进行了比较,发现本文提出的五参数法确定Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹应力强度因子的方法,充分反映了远场非奇异应力的影响,所得结果精度较高。     

三维空间中共面周期裂纹阵的静态应力强度因子

本文研究了三维空间中共面周期裂纹阵的静态摩力强度因子。首先提出了问题的格林函数,然后求得以裂纹张开位移为未知量的积分方程组。对于矩形的Ⅰ型裂纹,进行了数值计算。在几种情况下与其它解进行了比较,结果是令人满意的。     

一种光弹性法确定应力强度因子的简便方法

在考虑远场非奇异应力σａｘ影响的基础上,建立了Ⅰ－Ⅱ混合型裂纹问题应力强度因子Ｋ１、ＫⅡ与等差线条纹图上点的极坐标间的非线性方程,为确定ＫⅠ、ＫⅡ及σａ,本文将θ＝０及θ＝π／２两级轴与两级不同条纹交点的坐标代入方程,从而得到了一种光强弹性法确定Ⅰ－Ⅱ混合型裂纹问题应力强度因子的简便方法。作为实例,本文一了环树脂及聚碳酸脂材料在不同载荷、不同裂纹条件下的应力强度因子,并将所得结果与相应的理论计算值     

缺陷孔对平面裂纹应力强度因子的影响

带有裂纹和缺陷孔洞的板的问题是一个多连域的边值问题，这类问题适合用边界元法所具有的高精度特性来求解．采用子域边界元法，在平面应变的条件下对存在中心裂纹的平面板受远处拉伸和剪切裁荷的作用进行了数值分析．研究了圆形孔洞对Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子的影响，与有限元法进行了对比，求解结果更加精确．计算了椭圆形孔对Ⅰ型应力强度因子的影响，得到了一些有意义的结果，并对移动接触弹性体作用下的带裂纹板进行了钻孔研究．     

聚氯乙烯复合断裂性能研究

从弹塑性断裂力学理论出发,进行了硬质聚氯乙烯材料多角度下的Ⅰ/Ⅱ复合断裂试验,研究硬质聚氯乙烯材料复合断裂性能.利用数字图像相关技术,计算复合裂纹稳定扩展的临界裂纹尖端张开角值(ΨC1),尝试用该值作为一种断裂参数来描述硬质聚氯乙烯材料的断裂韧性.结果表明:(1)此材料与常见的金属材料不同,Ⅱ型加载模式下承载能力最大,纯Ⅰ型时承载能力最小;(2)当裂纹稳定扩展时,ΨC1值趋于稳定.故临界裂纹尖端张开角可作为硬质聚氯乙烯材料裂纹稳定扩展的断裂韧性.     

应用通用权函数法计算热机载荷作用下三维界面裂纹的应力强度因子

热机载荷共同作用下双材料、复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处,并且工程中实际遇到的裂纹大多数是三维裂纹,传统的求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹应力强度因子的数值方法如有限元、边界元法计算量大,计算效率低。由于通用权函数仅仅与裂纹体的几何形状有关,与载荷、时间无关,求解应力强度因子时避免了反复的应力分析,计算效率大大提高, 通用权函数法非常适合计算复杂冲击载荷下应力强度因子分布的过渡过程。根据Betti互易原理,本文推导出了三维界面裂纹问题通用权函数法的普遍表达式,并给出了热机载荷共同作用下三维界面I型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹问题通用权函数法的有限元格式. 通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到满意的工程应用精度。     

复合V形切口脆断的形状改变能密度因子准则

沿袭裂纹尖端附近的形状改变能密度因子概念思路,定义V形切口尖端附近的形状改变能密度因子.基于V形切口尖端附近的奇异应力场,建立了Ⅰ-Ⅱ复合V形切口脆性断裂的形状改变能密度因子准则.应用该准则对复合载荷下双边切口试件进行了理论预测,并把预测结果与实验结果、应变能密度因子准则的预测结果进行了比较.结果表明,形状改变能密度因子准则预测的起裂角和断裂曲线与实验值更吻合.     

复合材料梁Ⅱ型裂纹的有限元分析

对三点弯曲梁端部层间裂纹的Ⅱ型断裂性能进行了有限元分析。为克服裂纹面两岸节点相互嵌入问题，采用了界面元素，计算结果与理论预测进行了比较．     

复合材料梁Ⅱ型裂纹的有限元分析

对三点弯曲梁端部层间裂纹的Ⅱ型断裂性能进行有限元分析，为克服裂纹面两岸节点相互嵌入问题，采用了界面元素，计算结果与理论预测进行了比较。