压电薄板板边导电裂纹尖端的力电场分析

采用有限元方法，分析了压电薄板板边不同长度导电裂纹尖端的力电场分布规律，发现导电裂纹尖端的应力场和电场强度存在明显的集中和奇异现象，集中和奇异的程度与裂纹长度有关。而且，在裂纹延长线上分别存在两点，这里的应力和电场对裂纹长度不太敏感，总等于无裂纹时薄板的均匀应力和均匀电场强度；同时，还研究了导电裂纹尖端的应力强度因子和电场强度因子对裂纹长度的依赖关系，发现在线性本构的前提下，导电裂纹尖端的应力强度因子与电场强度因子之间具有近似的线性关系。     

基于权函数法的核主泵飞轮应力强度因子研究

采用权函数法确定了含裂纹飞轮在离心力和接触压力作用下的应力强度因子,计算了在同步转速工况下裂纹尖端应力强度因子的值,并与解析法和有限元法计算结果进行了对比。结果表明:权函数法与解析法的误差在3%以内,与有限元法的误差在1%以内,验证了权函数法计算应力强度因子的准确性高;在结构不变的情况下,权函数法可以快速求解不同载荷条件、不同长度裂纹的应力强度因子。通过控制变量法研究了不同参数对应力强度因子的影响,结果表明,飞轮裂纹尖端总应力强度因子随着裂纹尺寸、旋转转速、飞轮尺寸外径与内径比值的增大而增大。     

考虑表面效应时正三角形孔边裂纹反平面剪切问题的断裂力学分析

基于表面弹性理论和保角映射,研究了远场反平面剪切载荷作用下考虑表面效应时正三角形孔边裂纹问题的断裂性能。给出了孔边应力场解答,获得了裂纹尖端应力强度因子解析解答。数值算例讨论了应力强度因子随三角形孔尺寸、裂纹长度和表面性能的变化规律。结果表明：当三角形孔尺寸在在纳米量级时,无量纲应力强度因子受孔隙尺寸影响显著;随着三角形孔尺寸的增大,本文结果趋近于经典断裂理论解答;无量纲应力强度因子随裂纹长度的增加,数值先增大而后减小;裂纹相对长度较小时,表面效应影响较弱;应力强度因子的尺寸效应受表面性能影响显著。     

功能梯度压电/压磁双材料的周期界面裂纹问题

研究反平面载荷作用下压电/压磁双材料的周期界面裂纹问题,压电/压磁双材料由有限厚度的功能梯度压电层和功能梯度压磁层粘结而成.为便于分析,假设压电层和压磁层的材料性质沿着裂纹的法线方向呈指数变化,基于分离变量和Hilbert核奇异积分方程方法,获得应力强度因子的数值解.数值算例讨论层厚、周期带长度、梯度参数以及材料参数变动等对应力强度因子的影响.结果发现层厚以及裂纹间距的增大会降低裂纹尖端应力强度因子,梯度参数的改变对应力强度因子也有显著的影响.材料参数变动的讨论发现弹性参数的变动对应力强度因子影响最大,其次为电参数,磁参数的变动对应力强度因子影响最小.     

冲击载荷下两裂纹间的连通规律

脆性材料内部含有大量裂纹,当某一裂纹扩展时,其他裂纹会对扩展裂纹产生影响。为了研究冲击载荷下,脆性材料内两裂纹的相互影响、连通规律及裂纹尖端应力强度因子的变化规律,利用有机玻璃板制作了含非平行双裂纹的实验试件,利用落板冲击设备进行了中低速冲击实验,结合有限元分析软件ABAQUS计算出裂纹尖端应力强度因子,利用有限差分软件AUTODYN进行了动态数值模拟研究,并将其模拟结果与实验结果进行对比分析。实验及模拟结果表明:裂纹破坏形态与AUTODYN数值模拟破坏形态基本一致;试件的断裂形态随着两裂纹间距不同而不同;裂纹间的相互影响程度随着裂纹间间距增大而减小;裂纹尖端应力强度因子K_I随着裂纹间距的增大而减小,而K_II随着裂纹间距增大而增大。     

基于有限元方法的航空发动机叶片应力强度因子计算

为研究叶片裂纹尖端的应力奇异性,以某型航空发动机压气机叶片为例,利用有限元方法研究了叶片裂纹尖端应力强度因子的计算方法,并研究了旋转叶片振动状态下裂尖应力强度因子随裂纹长度的变化规律。建立计算模型时,在裂纹尖端划分了三维奇异单元,在裂尖外围划分了过渡单元。计算结果表明：研究旋转叶片振动状态下的裂尖应力奇异性,仅利用I型应力强度因子就具有足够的精度;对于同一裂纹,绝大多数情况下叶盆面应力强度因子大于叶背面应力强度因子,故研究叶片应力强度因子时只需研究叶盆应力强度因子即可;随着裂纹扩展,叶盆面I型应力强度因子不断增大。本文的研究方法及结论为进一步研究叶片的裂纹扩展规律及损伤容限奠定了基础。     

金属套筒对圆柱超导体内裂纹强度因子的影响研究

建立了一个外部包裹厚度为d的金属套筒且含有中心裂纹的YBCO圆柱型超导体模型,将其置于变化的外磁场环境中。采用Kim模型,通过ABAQUS软件有限元法和J积分法,忽略金属套筒对超导体磁场捕获能力的影响,对圆柱超导体内裂纹尖端应力强度因子的变化规律进行了数值仿真研究。数值结果表明,金属套筒弹性模量、金属套筒厚度和裂纹长度对圆柱超导体内裂纹的应力强度因子有显著的影响。超导体内合力为拉力时,金属套筒抑制裂纹扩张;当金属套筒与超导体弹性模量之比大于2时,抑制作用变化不明显,强度因子相应减小;裂纹尖端受到相同拉应力时,有金属套筒的裂纹长度是无金属套筒裂纹长度的1.1倍。     

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。     

考虑表面弹性效应时正三角形孔边裂纹反平面剪切问题的断裂力学分析

基于表面弹性理论和保角映射技术,研究了远场作用反平面剪切载荷作用下考虑表面弹性效应时正三角形孔边裂纹问题的断裂性能.给出了孔边应力场的精确解,获得了裂纹尖端应力强度因子的解析解答.数值算例中讨论了裂尖应力强度因子随三角形孔尺寸、裂纹长度和表面性能的变化规律.结果表明:当三角形孔的尺寸在纳米量级时,无量纲应力强度因子具有显著的尺寸效应;随着三角形孔尺寸的增大,论文结果趋近于经典断裂理论解答;无量纲应力强度因子随孔边裂纹长度的增加,先增大而后减小;当孔边裂纹长度较小时,表面效应影响较弱;应力强度因子的尺寸效应受表面性能影响显著.     

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.     

双周期裂纹压电材料反平面剪切问题断裂力学分析

研究压电材料双周期裂纹反平面剪切与平面电场作用的问题．运用复变函数方法，获得了该问题严格的闭合解，并由此给出了裂纹尖端应力强度因子和电位移强度因子的精确公式．数值算例显示了裂纹分布特征对材料断裂行为的重要影响．叠间小裂纹能够对主裂纹的应力和电位移场起着屏蔽作用，相反行间小裂纹却起着放大作用，至于钻石形分布裂纹的影响规律则更为复杂．对于某些特殊情形给予了解答并导出一系列有意义的结果。     

Coupled solution for anisotropic piezoelectric materials with cracks

The coupled elastic and electric fields for anisotropic piezoelectric materials with electrically permeable cracks are analyzed by using Stroh formula in anisotropic elasticity. It is shown from the solution that the tangent component of the electric field strength and the normal component of the electric displacement along the faces of cracks are all constants, and the electric field intensity and electric displacement have the singularity of type (1/2) at the crack tip. The energy release rate for crack propagation depends on both the stress intensity factor and material constants. The electric field intensity and electric displacement inside electrically permeable cracks are all constants.     

电可通纳米尺度孔边均布多裂纹的电弹断裂分析

解析研究了面内电载荷和反平面机械载荷作用下压电体中纳米尺度圆孔边均布电可通多裂纹问题的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论,利用保角映射方法和复变弹性理论给出了裂纹尖端电弹场分布、电弹场强度因子及能量释放率的解析结果。阐述了无量纲电弹场强度因子、无量纲能量释放率的尺寸依赖效应,讨论了裂纹数量和缺陷几何参数对无量纲场强度因子和无量纲能量释放率的影响。结果表明：无量纲电弹场强度因子和无量纲能量释放率具有显著的尺寸依赖效应;考虑表面效应,孔径和裂纹长度相当时,电弹场强度因子达到最大;裂纹/孔径比对电弹场强度因子随裂纹数量变化的制约会随着裂纹数量的增加而逐渐消失;过大或过小的裂纹孔径比会削弱裂纹长度对能量释放率的影响。     

电可通纳米尺度孔边均布多裂纹的电弹断裂分析

解析研究了面内电载荷和反平面机械载荷作用下压电体中纳米尺度圆孔边均布电可通多裂纹问题的断裂性能。基于Gurtin-Murdoch表面弹性理论,利用保角映射方法和复变弹性理论给出了裂纹尖端电弹场分布、电弹场强度因子及能量释放率的解析结果。阐述了无量纲电弹场强度因子、无量纲能量释放率的尺寸依赖效应,讨论了裂纹数量和缺陷几何参数对无量纲场强度因子和无量纲能量释放率的影响。结果表明：无量纲电弹场强度因子和无量纲能量释放率具有显著的尺寸依赖效应;考虑表面效应,孔径和裂纹长度相当时,电弹场强度因子达到最大;裂纹/孔径比对电弹场强度因子随裂纹数量变化的制约会随着裂纹数量的增加而逐渐消失;过大或过小的裂纹孔径比会削弱裂纹长度对能量释放率的影响。     

各向异性压电材料平面裂纹的耦合场分析

用Stroh方法分析了各向异性压电材料电导通型裂纹问题的耦合场。结果表明,裂纹面上的切向电场强度和法向电位移均为常数,在裂纹尖端有由弹性场的耦事作用产生的奇异电导通裂纹模型中的静电场对裂纹尖端扩展的能量释放率不作贡献。     

周期分布多边形夹杂奇异性应力干涉问题的研究

采用一种新型的杂交元模型和一种单胞模型来解决周期分布多边形夹杂角部的奇异性应力相互干涉的问题。新型杂交元模型是基于广义Hellinger-Reissner变分原理建立的,其中奇异性应力场分量和位移场分量是采用有限元特征分析法的数值特征解得到的。使用当前的新型杂交元模型,只需要在夹杂角部邻域的周界上划分一维单元,避免了像传统有限元模型那样需要划分高密度二维单元。文中给出了代表奇异性应力场强度的夹杂角部广义应力强度因子数值解,并考虑材料属性、夹杂尺寸和夹杂位置关系的影响。算例中,考虑了夹杂和基体完全接合的情况,并给出了考核例。结果表明:当前模型能得到高精度数值解,且收敛性好;与传统有限元法和积分方程方法相比,该模型更具有通用性,为非均质材料的细观力学分析打下了基础。     

基体裂纹与界面刚性线的弹性干涉

研究两种材料界面上的刚性线与其它任意位置处直线裂纹弹性干涉的反平面问题。基于界面上刚性线与任意位置处螺型位错干涉的基本解,运用连续位错密度模型法将问题转化为奇异积分方程。用半开型积分法求解奇异积分方程,得到位错密度函数的离散值,计算裂纹尖端处的应力强度因子。算例说明该方法可用于工程实际问题。     

SIF-based fracture criterion for interface cracks

The complex stress intensity factor K governing the stress field of an interface crack tip may be split into two parts, i.e.,■ and s~(-iε), so that K = ■ s~(-iε), s is a characteristic length and ε is the oscillatory index. ■ has the same dimension as the classical stress intensity factor and characterizes the interface crack tip field. That means a criterion for interface cracks may be formulated directly with■, as Irwin(ASME J. Appl. Mech. 24:361–364, 1957) did in 1957 for the classical fracture mechanics. Then, for an interface crack,it is demonstrated that the quasi Mode I and Mode II tip fields can be defined and distinguished from the coupled mode tip fields. Built upon SIF-based fracture criteria for quasi Mode I and Mode II, the stress intensity factor(SIF)-based fracture criterion for mixed mode interface cracks is proposed and validated against existing experimental results.     

压电体中考虑表面效应时开裂孔洞的断裂特征

研究了反平面机械载荷和面内电载荷作用下压电体中考虑表面效应时孔边双裂纹问题的断裂特征。基于Gurtin-Murdoch表面理论模型,通过构造映射函数,利用复势电弹理论获得了应力场和电位移场的闭合解答。给出了裂纹尖端应力强度因子、电位移场强因子和能量释放率的解析解。讨论了开裂孔洞几何参数和施加力电载荷对电弹场强因子和能量释放率的影响。