双材料中平片裂纹问题的超奇异积分方程解法

利用三维断裂力学的超奇异积分方程方法,对双材料空间中重直于界面的平片裂纹Ⅰ型问题进行了研究。首先根据双材料空间的弹性力学基本解,使用边界积分方程方法,在有限部积分的意义下导出了以裂纹面位罗间断为未知函数的超奇异积分方程,并为其建立了数值法。在此基础上,讨论了用裂纹面位移问题计算应力强度因子的方法。最后用此计算了几个典型的Ⅰ型下片裂纹问题的应力强度因子,其数值结果令人满意。     

拉伸载荷作用下单边缺陷-边裂纹应力强度因子研究

利用杂交位移不连续法研究拉伸载荷作用下矩形板中单边缺陷-边裂纹(半圆孔裂纹和半方孔裂纹)问题,给出了这三种平面弹性裂纹问题的应力强度因子的详细数值解。通过半圆孔裂纹问题和半方孔裂纹问题与单边裂纹问题的应力强度因子的比较,发现半圆孔和半方孔对单边裂纹有屏蔽影响。此外,本文的研究结果表明,杂交位移不连续法用于分析平面弹性有限体中复杂裂纹问题的应力强度因子简单且又准确。     

基于单元破裂的岩石裂纹扩展模拟方法

传统离散元方法在处理破裂问题时, 采用界面上的准则进行判断, 裂纹只能沿着单元边界扩展. 当物理问题存在宏观或微观裂隙时, 在界面上应用准则具有其合理性; 而裂纹沿着单元边界扩展, 使得裂纹路径受网格影响较大, 扩展方向受到限制. 针对上述情况, 可以基于单元破裂的方式, 构建连续- 非连续单元法, 并应用于岩石裂纹扩展问题的模拟. 该方法在连续计算时, 将单元离散为具有物理意义的弹簧系统, 在局部坐标系下由弹簧特征长度、面积求解单元变形和应力, 通过更新局部坐标系和弹簧特征量, 可进一步计算块体大位移、大转动, 连续问题计算结果与有限元一致, 同时提高了计算效率. 在此基础上, 引入最大拉应力与莫尔—库伦的复合准则, 判断单元破裂状态和破裂方向, 并采用局部块体切割的方式, 在单元内形成初始裂纹. 裂纹两侧相应增加新的计算节点, 同时引入内聚力模型描述裂纹两侧的法向、切向作用与张开度及滑移变形之间的关系. 按此方式, 裂纹尖端处的扩展路径可穿过单元内部和单元边界, 在扩展方向的选取上更为准确. 最后, 通过三点弯曲梁、单切口平板拉伸、双切口试样等典型数值试验, 模拟裂纹在拉伸、压剪等各种应力状态下的扩展问题, 并对岩石单轴压缩试验的破坏过程进行模拟, 分析裂纹形成与应力—应变曲线各阶段之间的对应关系. 结果表明: 连续—非连续单元法通过单元内部破裂的方式, 可以显示模拟裂纹萌生、扩展、贯通直至形成宏观裂缝的过程.      

试样尺寸对核电厂主蒸汽管道断裂韧性的影响研究

以某核电厂SA335 材料主蒸汽管道为研究对象,首先结合SA335 的断裂阻力曲线（J-R 曲线）试验测量结果,提出了一种方法确定韧性金属材料裂纹扩展模型（G-T 模型）中的主要微观参数：初始孔隙率0 f 和初始孔隙间距D;随后,在有限元计算中引入G-T 模型模拟了SA335 紧凑拉伸试样的断裂过程,讨论了试样尺寸对于J-R 曲线的影响．结果表明：试样厚度一致时,初始裂纹长度大的试样对应偏低的断裂韧性;当试样尺寸整体缩放时,较大尺寸的试样对应偏低的断裂韧性．最后,结合实例说明了试样整体尺寸对于主蒸汽管道临界裂纹长度的影响．     

有腹筋混凝土梁的剪切刚度分析模型

钢筋混凝土梁的挠度计算通常不计入剪切变形的贡献,然而对于斜向开裂的有腹筋混凝土梁,斜裂缝会显著降低梁体的有效剪切刚度,导致剪切变形值显著增大,因此在验算评估时应予以考虑.为评价钢筋混凝土梁斜向开裂后的有效剪切刚度,首先,基于变角桁架模型推导了钢筋混凝土梁在箍筋屈服状态下的有效剪切刚度;与弹性剪切刚度比较发现,剪切刚度退化系数的主要影响因素为材料弹模比、配箍率和斜压杆倾角.其次,基于试验剪切变形曲线表现出的刚度退化规律,提出了可用于不同开裂程度下剪切刚度计算的恒定切线刚度退化模式,并采用开裂后的剪力增量作为反映开裂程度的定量指标.最后,根据最小能量原理得到了剪切刚度退化中两个关键参数:斜压杆倾角和剪切刚度退化系数的解析公式.通过2根薄腹混凝土梁剪切变形试验以及收集的15个受剪梁段的剪切变形数据对模型有效性进行了验证,验证结果表明:有腹筋混凝土梁剪切刚度分析模型能较为准确地预测箍筋屈服状态的剪切刚度,并能反映不同开裂程度下的剪切刚度退化规律.     

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.     

Experimental and numerical investigation of concrete properties effects on fracture toughness under complex loading

Abstract

This article is presenting the common experimental specimen for determining the fracture toughness of the first pure mode and second pure mode. The Notched beam is chosen from a presented common specimen in the form of three-point flexure beam and four-point flexure beam that were built in the concrete laboratory. For prevention of cracks growth, a critical load of first pure mode and the second pure mode of each specimen computed. Obtained results are used for computing the fracture toughness. For the purpose of investigating the effective fracture parameters in the suggested specimen, finite element analysis on the mentioned geometry is performed. Obtained results show that different parameters are effective on the fracture toughness including crack length, cement percentage, water and the thickness of biggest used aggregate in the sand. Also with changing each of these parameters, the fracture mechanic properties are changed. Each of these effects is examined separately in this article and the conclusions presented in tables and figures.

Communicated by Dumitru Caruntu.     

强约束球形装药反应裂纹传播和反应烈度表征实验

炸药燃烧的高温高压气体产物可以进入基体裂纹中引发炸药表面热传导燃烧,形成所谓的对流燃烧。在一定约束条件下,不断上升的气体压力反过来又使炸药基体产生更多的裂纹,为对流燃烧提供更多的通道和燃烧表面积,快速生成大量产物气体导致高烈度反应现象的产生。本文中设计了一种新型强约束球形装药中心点火实验,针对一种HMX为基的PBX炸药,对高烈度反应条件下燃烧裂纹传播和反应增长过程进行了观测,实验中采用测得的反应压力和壳体速度历程对反应烈度进行了量化表征。在带窗口结构中,早期炸药中的燃烧裂纹不可见;中期燃烧裂纹扩展到药球表面时,先形成4条沿经线方向近似对称的主裂纹,随后环向贯通并扩展到整个药球表面;最后的剧烈反应造成强烈发光。上述反应演化经历低压增长阶段约为100 μs,之后伴随着壳体变形膨胀产生剧烈的反应,此时产物压力在约10 μs时间内超过1 GPa,并形成约20%相对于裸炸药爆轰的超压输出。在全钢结构中,20 mm厚的壳体膨胀速度最大可达到500 m/s,此时壳体完全破裂。

     

弹塑性平面Ⅰ型裂纹应力场的一个摄动解析解

本文利用摄动方法,得到了幂硬化材料平面Ⅰ型裂纹端应力奇异场的一个解析表达式,并与HRR数值结果进行了比较。分析表明:当硬化指数在[1,∞)变化时,应力场的结构形式不发生变化,为三角函数的线性组合。在一定的幂硬化指数变化范围内,解析解是数值解的很好近似,对应力分量σ_(θθ)和σ_(vθ),这一特点尤为突出。该解析解形式简洁,明了,可为弹塑性断裂的工程应用提供方便。     

尖端具有吸附性接触的界面裂纹对瞬态弹性波作用下的动态响应

建立并研究一类接触型界面裂纹模型对瞬态弹性波作用下的动态响应问题。文中利用积分变换和积分方程法推导了确定这类问题的奇异积分方程组。采用围道积分技术和切比雪夫多项式展开技术，得到了待定系数的非线性代数方程组。最后给出了裂纹尖端接触区大小和接触应力随时间变化的数值结果，揭示了这种接触裂纹的动力学特性及物理上的合理性。