复合型裂纹断裂的新准则

以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹为研究对象,对裂纹尖端的塑性区分布规律进行了理论分析.引入两组评价裂纹尖端应力场对裂纹扩展影响的参数,考虑裂纹尖端存在的局部塑性变形,并采纳如下两个假设,(1)裂纹沿最短路径穿过塑性区向弹性区扩展,(2)当在扩展方向上的弹塑性边界极半径r大于其临界极半径rc时,裂纹开始扩展.在此基础上,导出了新的复合型裂纹断裂准则,并与现有部分断裂准则及实验结果进行了对比.结果表明:新建立的复合裂纹断裂准则与实验结果吻合程度非常高.文中还分析了裂纹尖端应力场对复合断裂的影响机制,阐述了以单一KⅠc或KⅡc建立的复合裂纹扩展准则的局限性以及考虑裂纹尖端应力场的必要性.     

两相材料界面裂纹的起裂方向及断裂参量研究

采用FRANC2D软件研究了两相材料含界面裂纹的断裂特性。通过在材料界面利用CASCA手动生成界面裂纹并在裂纹尖端附近设置1/4奇异等参元,得到了界面裂纹的复应力强度因子;数值模拟得到了界面裂纹的起裂方向,并分析了界面裂纹的破坏特征。计算结果表明:1/4奇异等参元很好地描述了裂纹尖端场的1/r(1/2)奇异性,FRANC2D软件能够模拟界面裂纹的扩展方向,可以得到界面裂纹尖端的应力场和复应力强度因子,为界面裂纹的断裂特性的进一步分析提供依据。     

纯弯正交异性双材料界面裂纹尖端应力场

对纯弯曲载荷作用的正交异性双材料界面裂纹尖端应力场进行了解析研究。通过复合材料断裂力学复变函数方法,构造了特殊的挠度函数;将控制方程化为广义重调和方程,基于边界条件得到了两个八元齐次线性方程组,推出了含两个实奇异指数的应力函数及界面裂纹尖端附近的弯矩、扭矩、应力、应变的计算公式。     

界面裂纹问题中的通用权函数法

热载荷和机械载荷共同作用下复合材料中的裂纹扩展往往发生在界面处.传统求解热冲击及机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子的数值方法(如有限元、边界元法等),计算工作量大、效率低.通用权函数与时间无关,运用通用权函数法可以免除对每个时刻的应力分析,计算效率可得到很大提高.本文将通用权函数法推广到求解热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子过渡过程的问题中,推导出求解平面双材料界面裂纹问题应力强度因子的通用权函数法计算格式.基于此格式,计算热载荷和机械载荷共同作用下界面裂纹尖端的应力强度因子.通过实例计算比较,表明此方法得到的结果可以达到与相互作用积分法相当的工程应用精度.最后,应用此方法研究了热障涂层受热冲击及表面力共同作用时裂纹长度以及涂层厚度对应力强度因子的影响.结果表明:在一定边界条件下,当热障涂层中存在边缘裂纹时,随着涂层厚度的增加,更容易导致裂纹的扩展和涂层的剥落.     

CTS试件中复合型疲劳裂纹扩展

针对复合型循环载荷作用下的金属构件中的裂纹扩展问题进行了实验分析和理论建模. 首先 采用紧凑拉剪试件(CTS)和 Richard研制的复合型载荷加载装置，对承受复合型循环载荷的裂纹进行了实验研究. 实验选择了两种金属材料试件，分别承受3种形式的复合型循环载荷的作用，在裂纹尖端具 有相同的初始应力场强度的条件下考察复合型循环载荷对裂纹扩展规律的影响. 实验结果表明，疲劳裂纹的扩展速率与加载角度有关. 对于同样金属材料的试件，当裂尖处 初始应力场强度相等时，载荷越接近于II型，裂纹增长速率越快. 采用等效应力强度 因子(I型和II型应力强度因子的组合)、裂纹扩展速率及复合强度等参数，以实验数据为 基础，建立了一个疲劳裂纹扩展模型，用来预测裂纹在不同模式疲劳载荷作用下的扩展速率. 为验证其有效性，该模型被应用于钢制试件的数值模拟计算中. 实验结果与模拟计算曲线保 持一致，表明该模型可以用来估算带裂纹金属构件的寿命.     

双材料界面Ⅰ型扩展裂纹尖端的弹黏塑性场

双材料界面中存在材料黏性效应, 对界面裂纹尖端场的分布和界面本身性能 的变化起着重要的影响. 考虑裂纹尖端的奇异性, 建立了双材料界面扩展裂纹尖端的弹黏塑 性控制方程. 引入界面裂纹尖端的位移势函数和边界条件, 对刚性-弹黏塑性界面I型界面 裂纹进行了数值分析, 求得了界面裂纹尖端应力应变场, 并讨论了界面裂纹尖端场随各影响 参数的变化规律. 计算结果表明, 黏性效应是研究界面扩展裂纹尖端场时的一个主要因素, 界面裂纹尖端为弹黏塑性场, 其场受材料的黏性系数、马赫数和奇异性指数控制.     

弹塑性疲劳微弯裂纹尖端塑性区问题

主要研究疲劳载荷作用下弹塑性裂纹弯曲延伸扩展问题.通过分析论证,比较精确地研究了疲劳载荷作用下弯曲延伸裂纹尖端塑性区域边界上交变应力的分布状况.综合考虑了疲劳作用应力,塑性区域交变应力,利用二阶摄动方法,研究计算了弯曲延伸裂纹尖端塑性区域的范围,并预测了疲劳载荷作用下弹塑性裂纹扩展路径.     

确定裂纹尖塑性区的神经网络方法

通过构造反向传播神经网络，对裂纹尖端的应力场进行学习，进而实现对裂纹尖端应力场函数的逼近。经过学习的网格具有相当的联想、记忆能力和一定的稳定性，并且可以快速、准确地计算实际情况中带裂纹构件的裂纹尖端应力场，确定裂纹尖端的塑性区。便于分析带裂纹构件裂纹的扩展。     

斜裂纹顶端形状对平板应力场的影响

本文应用大变形理论,通过有限元法计算讨论了圆端和尖端两种顶端形状的斜裂纹平板Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ—Ⅱ复合型的应力场分布,裂纹位移及塑性区形状;並将这两种形状的计算结果进行了相互比较。同时,在计算方法上,对裂纹顶端附近较密和较疏两种单元网格的计算结果进行了比较。     

过载作用下聚乙烯疲劳裂纹扩展行为研究

论文针对中密度聚乙烯材料(MDPE)，采用平板试样进行了I型疲劳裂纹扩展和单次过载下裂纹扩展试验．发现与金属材料类似，单次拉伸过载对聚乙烯(PE)的疲劳裂纹扩展有明显的迟滞作用，降低了裂纹扩展速率．试验还通过变载荷刻线法获取疲劳裂纹扩展前缘的实际形貌和变化规律，对常规变载荷刻线方法进行了调整和验证，其修正方法对高分子材料的疲劳裂纹扩展前缘刻线具有较好的效果．通过观察发现含楔形塑性区的裂尖钝化是裂纹迟滞的主要原因．过载引入的塑性区内残余应力对裂纹迟滞也起了重要作用．论文利用Dugdale模型计算了塑性区尺寸，使用基于残余应力的Wheeler模型对过载迟滞进行了很好的拟合．     

THERMAL STRESS FIELD WHEN CRACK ARREST IN AN AXIAL SYMMETRY METAL DIE USING ELECTROMAGNETIC HEATING

In order to solve the thermal stress field around crack tip in metal die when crack prevention using electromagnetic heating, a metal die with a half-embedded round crack was selected as the study object. The complex function method was used as a basis for the theoretical model of the space crack prevention in metal dies using electromagnetic heating. The crack arrest was accomplished by a pulse current discharge through the inner and outer. The theoretical analysis results show that the temperature around the crack tip rises instantly above the melting point of the metal. Small welded joints are formed at a small sphere near the crack tip inside the metal die by metal melting as a result of the heat concentration effect when the current pulse discharged. The thermal compressive stress field appears around the crack tip at the moment. The research results show that the crack prevention using electromagnetic heating can decrease the stress concentration and forms a compressive stress area around the crack tip, and also prevents the main crack from propagating further, and the goal of crack preventing can be reached.     

Study on fracture behavior of ferroelectric ceramics under combined electromechanical loading by using a moiré interferometry technique

This paper discusses an in situ observation of fracture behavior around a crack tip in ferroelectric ceramics under combined electromechanical loading by use of a moiré interferometry technique. The deformation field induced by the electric field and the stress concentration near the crack tip in three-points bending experiments was measured. By analysis of the moiré images it is found that under a constant mechanical load, the electric field almost has no effect on the crack extension in the case that the directions of the poling, electric field and crack extension are perpendicular to each other. When the poling direction is parallel to the crack extension direction and perpendicular to the electric field, the strain decreases faster than that calculated by FEM with and without electrical loading as one goes away from the crack tip. In addition, as the electric field intensity increases, the strain near the crack tip increases, and the strain concentration becomes more significant. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (10132010, 10025209, 10232023)     

单边裂纹通电瞬间裂尖处应力场的复变函数解

本文应用复变函数中的Schwarz-Christoffel变换方法，在具单边裂纹的导电薄板通电瞬间温度场复变函数解的基础上，推导出用复变函数表示的应力场的表达式，并且给出算例，通过理论计算得知；当对具有单边裂纹的导电薄板通入适当密度的电流时，裂尖处温度急剧升高并熔化便裂尖变钝。同时，在裂尖周围形成了有利于遏制裂纹扩展的压应力场，有效地防止了裂纹沿其主方向和其它方向延伸。从理论上证明了电磁热效应在裂尖处产生高温形成焊口的同时，压应力场的形成是遏制裂纹扩展的主要因素之一。理论计算结果与实验结果比较吻合，为这一止裂方法的应用打下了理论基础。     

压电圆柱形夹杂对邻近裂纹三维应力场的影响

研究了压电复合材料薄板中压电圆柱形夹杂与邻近宏观钝裂纹间的相互作用.重点分析了外加电场、裂尖与压电圆柱形夹杂间韧带长度对裂尖三维应力场的影响.计算结果表明:在不同的外加电场作用下,压电体不仅能改变裂尖张开应力的大小,还能改变其分布.所得结果对进一步探讨线弹性介质中裂纹的启裂控制有参考价值.     

爆炸载荷下板条边界斜裂纹的动态扩展行为

为了研究爆炸应力波作用下板条边界斜裂纹的动态扩展行为,首先分析了爆炸应力波在含边界斜裂纹板条中的传播,其次采用动态焦散线实验方法,进行了爆炸载荷下板条边界斜裂纹扩展规律的实验研究.研究结果表明,爆炸应力波作用下,板条试件边界斜裂纹的扩展过程中,裂纹扩展速度、扩展加速度和裂尖动态应力强度因子随时间波动变化,扩展速度最大值...     

有限尺寸下双材料界面附近裂纹位置对裂纹尖端的影响

随着复合材料的应用和发展,不同材料组成的界面结构越来越受到人们的重视.界面层两侧材料的性能相异会引起材料界面端奇异性,同时界面和界面附近存在裂纹会引起裂尖处的应力奇异性.因此双材料界面附近的力学分析是比较复杂的.论文建立双材料直角界面模型,在材料界面附近预设初始裂纹,计算了有限材料尺寸对界面应力场及其附近裂纹应力强度因子的影响.运用弹性力学中的Goursat公式求得直角界面端在有限尺寸下的应力场以及其应力强度系数.通过叠加原理和格林函数法进一步得到在直角界面端附近的裂纹尖端应力强度因子.计算结果表明,在适当范围内改变材料内裂纹与界面之间的距离,界面附近裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹与界面距离的增加而减少,并且逐渐趋于稳定.分析结果可以为预测双材料结构复合材料界面失效位置提供参考.     

新型各向异性核工业石墨断裂力学行为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)方法对一种新型各向异性核工业石墨的裂纹尖端位移、应变场进行了实验研究，两种方法都取得了较好的结果。考虑核工业石墨制备过程形成的各向异性特点，本文构建了三维各向异性有限元模型，采用奇异单元，计算模拟石墨裂纹尖端的变形和应力场，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。     

正交各向异性功能梯度材料反平面裂纹尖端应力场

采用积分变换-对偶积分方程方法,研究了正交各向异性功能梯度材料反平面裂纹问题,文中假定材料沿两个主轴方向的剪切模量成比例按双参数梯度模型变化,通过求解对偶积分程并考虑变形Bessel函数的渐特性,推导出了裂纹尖端应力场,最后考察了材料非均匀性及正交性对应力强度因子的影响。     

Dynamic stress intensity factor KⅢ and dynamic crack propagation characteristics of anisotropic materials

Based on the mechanics of anisotropic materials,the dynamic propagation problem of a mode Ⅲ crack in an infinite anisotropic body is investigated.Stress,strain and displacement around the crack tip are expressed as an analytical complex function,which can be represented in power series.Constant coefficients of series are determined by boundary conditions.Expressions of dynamic stress intensity factors for a mode Ⅲ crack are obtained.Components of dynamic stress,dynamic strain and dynamic displacement around the crack tip are derived.Crack propagation characteristics are represented by the mechanical properties of the anisotropic materials,i.e.,crack propagation velocity M and the parameter α.The faster the crack velocity is,the greater the maximums of stress components and dynamic displacement components around the crack tip are.In particular,the parameter α affects stress and dynamic displacement around the crack tip.