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。     

复合型裂纹位移场的分析

本文分析了复合型裂纹尖端v向位移场的特点,即v=0的位移线和切点连线(等位移线斜率为零的切点的连线)均为直线,它们的斜率与K_Ⅱ∶K_Ⅰ有关.在裂纹两岸的v向位移大小相等符号相反.当纹尖有刚性转动时,裂纹两岸同x处的v向位移不同.利用它们的代数和可消除变形位移,而得到两倍的刚性转角位移,从而求出刚性转角,并找到无刚性转角时的v=0位移线和切点连线. 作者利用上述特点,由贴片云纹干涉法得到有刚性转角的条纹图中求出转角、纹尖精确位置、和应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ.与文[4]的计算值一致,实验与计算的条纹图吻合得很好,结果令人满意.     

复合型裂纹的裂纹面扭转角

针对含有Ⅲ型裂纹的复合型裂纹扩展后,裂纹面发生扭转,提出垂直于裂纹扩展方向平面上的最大周向应变控制裂纹面的扭转。并推导了各种复合型裂纹面扭转角公式,Ⅰ－Ⅲ复合型裂纹扩展速率试验表明：裂纹面扭转角的试验值与静载失稳条件下的理论值符合得较好。     

复合型疲劳裂纹的扩展

1.引言实际工程中,对于结构部件的寿命需要作出理论上的估计,因此部件在疲劳载荷作用下裂纹的扩展是一个重要的研究课题。一个疲劳裂纹的扩展将取决于部件所用材料的性质、几何形状以及受载情况等等因素,也就是说需要用断裂力学的理论来解决结构部件的设计与分析。过去一般对于疲劳裂纹的扩展主要基于P.C.Paris公式,即     

复合型裂纹扩展的主应力因子模型及Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹扩展

以垂直于裂纹扩展径向平面上的主应力σ1及极径r的组合量√2πrσ1作为主应力因子σ1，提出了主应力因子的复合型裂纹扩展的断裂准则及静态断裂模型，在此基础上，推导了考虑裂纹闭合的扩展速率公式，进行了Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹扩展试验，并对断口作了扫描电镜观察分析，试验表明：提出的裂纹扩展模型是适用的。     

复合型裂纹扩展的Griffith准则

Griffith理论用于复合型断裂已被许多人研究过。本文的工作是在能量释放率理论的基础上,通过计算任意方向上的能量释放率,推导出最大能量释放率准则的一般表达式,並将它同Ⅱ—Ⅲ和Ⅰ—Ⅱ—Ⅲ复合型断裂实验进行了比较。     

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.     

考虑应力松驰复合型裂纹顶端塑性区分析

Ｓｈｉｈ［１］应用奇异单元，获得了不考虑应力松驰小范围屈服条件下复合型裂纹尖端塑性区形状。Ｚ．Ｚ．Ｚｕ等［２］采用Ｒｉｃｅ［５］给出的裂纹尖端应力关系式，利用有限元分析获得了不考虑应力松驰下复合型裂纹尖端塑性区，本文基于静力学中内力与外力平衡条件，用线弹性的全场解代替局部解，给出了考虑应力松驰下复合型裂纹尖端塑性区边界方程，获得了考虑应力松驰下的任意方向的塑性区尺寸及塑性区形状     

复合型裂纹扩展的应变能准则

现有的复合型裂纹扩展准则主要可分为两大类,一是以裂纹扩展前的应力-应变场为基础,二是基于能量平衡观点的能量释放率理论.例如,最大切向应力准则,最大主切向应力准则,最大切向应变准则和应变能密度准则都属于前者;Griffith-Irwin能量准则则属于后者.所有的这些准则几乎都假设裂纹扩展将沿着以裂纹尖端为中心的射线方向,并且在此方向上的某个基本函数存在着一个极值,当此极值达到临界值时,裂纹开始失稳扩展.这些准则的着眼点都是只考察裂纹尖端附近某一点处的某个力学参量(如应力、应变、应变能密度或能量释放率等)的变化.本文所考察的则是裂纹尖端周围某一特定区域内总应变能的变化.     

混凝土复合型裂纹扩展的非局部近场动力学建模分析

基于非局部近场动力学理论,构建了修正的能反映混凝土宏观拉压异性和断裂特征的近场动力学本构模型,开发了相应的离散、加载和时间积分算法,实现典型混凝土构件中复合型裂纹扩展过程模拟。在物质点对尺度上定义局部损伤并考虑物质点对的相对转动,通过求解时空微-积分方程实现裂纹的自然萌生与扩展,避免裂尖不连续带来的求解奇异性、网格依赖性和网格重构以及常规近场动力学本构模型的泊松比限制。通过含单边和双边初始裂纹四点剪切混凝土梁裂纹扩展破坏全过程模拟,得到破坏形态、破坏荷载以及完整的荷载-裂纹开口滑移曲线,并与试验和其他数值模拟结果对比,验证了模型的精确性和算法的稳定性。     

复合型表面裂纹疲劳门槛应力的估算

表面裂纹是工程构件常见的缺陷，由于实验数据的缺乏及其他困难，断裂力学应用于表面裂纹的疲劳扩展，其经验和成果还十分有限。本文利用复合型断裂准则，对圆棒试样表面小裂纹的门槛应力进行分析和估算，得到了较满意的结果。     

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.     

幂硬化材料复合型界面裂纹问题

本文研究了两相幂硬化材料平面应变复合型界面裂纹问题,通过对裂端附近主奇异解的分析,得到硬化指数为 n_Ⅰ、n_Ⅱ(n_Ⅰ相似文献   

复合型裂纹断裂和扩展速率试验夹具及裂纹长度测量方法

本文设计了复合型裂纹断裂和扩展试验夹具及试样,借助此夹具可以在拉压疲劳试验机上进行多种复合型裂纹断裂及扩展速率试验,针对此夹具和试样提出了复合型裂纹长度测量的显微镜直读比拟法,并应用设计的夹具和提出的裂纹长度测量方法的MTSnew810上进行了多种复合型裂纹扩展速率试验,获得了复合型裂纹扩展的a-N曲线及一些新的结果。     

描述复合型疲劳裂纹扩展路径的等效模型

复合型裂纹的扩展路径不同于Ⅰ型裂纹,会沿着与初始裂纹面不同的方向扩展,扩展路径的准确预测对扩展速率的评估具有重要的作用.采用最大周向应力准则和最小应变能密度准则进行扩展路径的预测时,开裂角的误差会使裂纹不断偏离实际路径,造成最终结果的较大偏差.论文将复合裂纹在扩展过程中的弯折裂纹简化为直线裂纹,对简化过程中所产生的误差进行定量分析,并在此基础上提出了一种描述复合型裂纹扩展路径的等效修正模型.将此模型写入ABAQUS扩展有限元模块,实现了基于等效修正模型的疲劳裂纹扩展程序.通过对含中心斜裂纹板的疲劳裂纹扩展试验,验证了该模型的有效性,预测的开裂角与试验结果基本一致,所得到的载荷循环次数低于试验值,对含裂纹结构的寿命评估偏于保守.     

钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析

在车轮循环滚动接触载荷作用下,钢轨接触表面裂纹问题频发,严重威胁高速列车运行安全,开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先,考虑不同初始裂纹角度,建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型,对钢轨表面施加循环滚动接触载荷,进行轮轨滚动接触计算;然后,基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子;最后,采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率,进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现,从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明,随着初始裂纹角度增加,K_Ⅰ的峰值逐渐减小,K_Ⅱ的峰值逐渐增大,裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小;裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面,等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明,随着循环次数的增加,不同初始角度下的裂纹都发生了偏折,逐渐朝着钢轨深度方向扩展,且裂纹的初始角度越大,发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现,初始裂纹角度越小,裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用...     

相变滞后对裂纹屏蔽效应的数值分析

论文针对奥氏体-马氏体双相材料,研究裂纹尖端区弥散分布的奥氏体颗粒在应变诱发时发生的相变对裂纹的屏蔽效应.鉴于实验中已发现的不同相变滞后对裂纹屏蔽效应的不同影响,研究通过在裂纹尖端区不同位置嵌入相变颗粒,考虑到裂纹尖端区应力应变场的奇异分布及其诱发的相变,将裂纹尖端区相变滞后问题转化为相变颗粒在裂纹尖端区的位置问题.计及奥氏体-马氏体相变的体积膨胀效应进行了平面应力裂纹问题数值模拟,得到了单个相变夹杂对裂纹屏蔽效应的影响规律.结果表明:裂纹尖端区相变夹杂的位置对裂纹的屏蔽效应在距裂尖2倍夹杂直径以内影响极大,且以裂尖86度方向为界.其影响规律与McMeeking和Evans理论预言的60度方向不同.     

横观各向同性材料三维裂纹问题的数值分析

严格从三维横观各向同性材料弹性空间问题的Green函数出发,采用Hadamard有限部积分概念,导出了三维状态下单位位移间断(位错)集度的基本解.在此基础上,将三维任意形状的片状裂纹问题归结为求解-组以未知位移间断表示的超奇异积分方程;并给出了边界元离散形式.对方程中出现的超奇异积分,采用了Had-alnard定义的有限部积分来处理.论文最后给出了若干典型片状裂纹问题的数值算例,数值结果表明了本文方法是非常有效的.     

HSSTS新管幕构件受力性能数值分析研究

针对目前管幕工法应用时存在的施工步骤繁琐、抗弯刚度较弱等问题,本文提出了一种采用H型钢连接的新型管幕结构(HSSTS);基于相关构件室内试验结果,采用ABAQUS有限元软件建立了HSSTS有限元模型,探究了其受力特征和破坏规律;并详细研究了多个部件参数对结构抗弯性能的影响,同时对构件承载力和抗弯刚度进行了多元线性回归分析。结果表明:结构具有较高的横向刚度,钢管壁厚对承载力影响明显,翼缘板厚度对其影响不明显,混凝土强度对其具有一定影响,其极限荷载环比提高百分比平均值分别为5.23%、0.29%、3.94%;基于多元线性回归理论建立的承载力和抗弯刚度回归模型的相关系数分别为0.992和0.927,表明模型拟合效果较好。     

裂纹混合边值问题的数值解

本文对裂纹混合边值问题建立了第一类和第二类 Fredholm 边界积分方程,对积分方程组进行数值求解。计算了裂纹嵌入刚性薄楔、刚性圆柱以及周期裂纹混合边值问题,和精确解相比其误差小于2%。