如何判断在各种加载下的断裂模式:Ⅰ型还是Ⅱ型

长期以来传统的断裂力学最为突出的误解是将剪切下的断裂误认为是Ⅱ型断裂.通过对Ⅱ型加载裂纹尖端的应力研究表明,在裂纹尖端周围同时有周边(拉或压)应力和剪切应力存在.对于脆性材料,当裂纹尖端的最大周边拉应力大于最大剪应力时,只有Ⅰ型断裂可能发生.Ⅱ型断裂试验及研究表明,Ⅰ、Ⅱ型断裂发生是有前提条件的.Ⅰ型断裂发生的前提条件是:1),fromax/fomax＜1,或2),fromax/fomax＞1,但fromax/fomax＜KIIC/KIC;Ⅱ型断裂发生的前提条件是:fromax/fomax＞1和fromax/fomax＞KIIC/KIC·fromax是裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子,fomax是裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子.KⅠC和KIJC分别是材料的拉伸断裂韧度和剪切断裂韧度.     

含预制孔洞混凝土的断裂实验研究

为研究含孔洞缺陷类岩体在单轴加载条件下裂缝萌生、扩展、演化及贯通的过程,制作了含不同数量的预制孔洞混凝土试件,进行单轴加载断裂实验,根据实验过程使用ANSYS软件进行数值模拟,分析其应力分布情况,将实验结果和数值计算进行对比,结果表明:试件的破坏模式及孔洞的贯通模式与孔洞的数量及分布有关,试件破坏模式主要为劈裂破坏和剪切破坏,使用ANSYS软件计算所得的结果和实验结果较为吻合.      

混凝土Ⅱ型断裂的FCM和断裂能

本文讨论了混凝土Ⅱ型断裂的机理,并给出了一个产生Ⅱ型断裂的充分条件.从而,提出了Ⅱ型虚拟裂纹模型(FCM).并据此用有限元计算了属于Ⅱ型的剪切断裂能和压剪断裂能.在用刚性加载架对混凝土试样测得剪切荷载-切口相对位移全曲线的基础上,获得了剪切断裂能和压剪断裂能的试验值,它与电算值相当接近.试验结果表明,混凝土Ⅱ型断裂能约为Ⅰ型断裂能的20倍.     

如何判断在各种加载下的断裂模式：I型还是Ⅱ型

长期以来传统的断裂力学最为突出的误解是将剪切下的断裂误认为是Ⅱ型断裂.通过对Ⅱ型加载裂纹尖端的应力研究表明,在裂纹尖端周围同时有周边(拉或压)应力和剪切应力存在.对于脆性材料,当裂纹尖端的最大周边拉应力大于最大剪应力时,只有Ⅰ型断裂可能发生.Ⅱ型断裂试验及研究表明,Ⅰ、Ⅱ型断裂发生是有前提条件的.Ⅰ型断裂发生的前提条件是:1),fθmax/fθmax<1,或2),fθmax/fθmax>1,但fθmax/fθmax1和fθmax/fθmax>KIIC/KIC·fθmax是裂纹尖端最大无因次剪应力强度因子,fθmax是裂纹尖端最大无因次拉应力强度因子.KIC和KIIC分别是材料的拉伸断裂韧度和剪切断裂韧度.     

剪切盒加载下岩石剪切(Ⅱ型)断裂韧度KⅡc的测定

采用剪切盒实验获得了岩石的Ⅱ型断裂并测定了岩石的Ⅱ型断裂韧度KⅡc,通过有限单元法中的位移法推导出剪切盒加载下双切口试样的Ⅱ型应力强度因子KⅡ的一般计算公式,并探讨了KⅡc的尺寸效应和Ⅱ型断裂机理.实验及数值计算结果表明在剪切盒加载下,裂纹尖端最大拉应力始终低于岩石的拉伸强度,最大剪应力大于其对应压应力下的剪切强度,且Ⅱ型最大应力强度因子KⅡmax为Ⅰ型最大应力强度因子KImax的2～4倍,从而导致产生Ⅱ型断裂;测得的KⅡ c值随无量纲切口长度(2a/W)的增加而降低,当2a/W≥0.7,且B≥W,α为65°～75°时,Kc趋近于一个常数,该常数为Ⅰ型断裂韧度KIc的2～3倍,可认为是较合理的岩石Ⅱ型断裂韧度值;剪切盒实验是一种测定岩石KⅡc的行之有效的方法.     

断裂模式对沥青混凝土低温开裂特性的影响规律

为了研究静载荷作用下加载模式和温度对沥青混凝土抗断裂性能的影响,在不同温度条件下,对裂缝沥青混凝土试件进行了纯I型、纯Ⅱ型、混合I/Ⅱ型等不同加载模式下的三点断裂试验.通过4种温度(-15℃、-5℃、0℃、10℃)和5种加载模式(纯Ⅰ型、纯Ⅱ型、混合型0.8、混合型0.5、混合型0.2)的断裂试验探究沥青混凝土的抗裂性和裂纹扩展规律.结果表明,加载模式和温度对沥青混凝土的抗裂性及裂纹扩展规律具有显著影响;此外,在某个特定的混合加载模式下,沥青混凝土的抗断裂能力最差,该混合加载模式可以作为评估沥青混凝土裂纹开始扩展的指标.     

下扎深度对回填式搅拌摩擦点焊接头断裂行为的影响

为研究焊接工艺参数对回填式搅拌摩擦点焊(RFSSW)接头断裂行为的影响,以铝合金为例,通过改变焊接过程中套筒的下扎深度对上下板厚度不同的LY12铝合金进行RFSSW试验,从材料流动、原子扩散及接头软化等方面对其接头的断裂机理进行分析,并利用焊点的宏观形貌、显微组织和硬度进行验证。试验及分析结果表明:在RFSSW过程中,当套筒未扎透上板、hook缺陷较平且韧带在整个焊点厚度基本相同时,裂纹主要沿连接强度较弱的搭接面扩展,形成剪切断裂模式;当套筒下扎至下板厚度的15%、hook缺陷向上弯曲且套筒回抽路径产生裂纹缺陷时,裂纹更倾向于沿着原子扩散时间较短的套筒回抽路径扩展,形成剪切塞型断裂模式;随着套筒进一步下扎至下板厚的35%且hook缺陷向下弯曲,裂纹更容易沿着下板中的套筒回抽路径向下扩展;当裂纹扩展到下板的下表面时,形成塞型断裂模式,断口形貌与断裂机理的分析结果相吻合。     

含不同角度穿透裂纹板拉伸断裂的有限元模拟

对含不同预置角度穿透裂纹板受拉伸断裂过程进行了数值模拟.选用增量型弹塑性本构关系,采用自编有限元程序求解虚功原理方程,裂纹扩展参照了LS-DYNA商业计算软件处理断裂问题的单元失效方法,考核了不同幅值载荷和预置裂纹角度的影响,给出了不同时刻等效应力云图和指定点的应力、应变随时间变化曲线.计算结果表明:当应力波在板中传播时,会在裂纹尖端引起应力集中,板产生垂直裂纹和水平裂纹.垂直裂纹扩展垂直于加载方向,水平裂纹扩展平行于加载方向,两者均与预置裂纹角度无关.板上不同位置的应力变化仅和相对裂尖位置相关,而与预置裂纹角度无关.相对裂尖位置、与板边界距离和加载位置是影响应变随时间变化的主要因素.当载荷幅值较小时,不会出现裂纹扩展.当载荷幅值较大时,聚集在裂纹尖端的应变能需较长时间才能释放,这会影响水平裂纹的出现时间.     

剪切盒加载下岩石剪切(Ⅱ型)断裂韧度K_(ⅡC)的测定

采用剪切盒实验获得了岩石的Ⅱ型断裂并测定了岩石的Ⅱ型断裂韧度KⅡC ,通过有限单元法中的位移法推导出剪切盒加载下双切口试样的Ⅱ型应力强度因子KⅡ 的一般计算公式 ,并探讨了KⅡC的尺寸效应和Ⅱ型断裂机理 .实验及数值计算结果表明 :在剪切盒加载下 ,裂纹尖端最大拉应力始终低于岩石的拉伸强度 ,最大剪应力大于其对应压应力下的剪切强度 ,且Ⅱ型最大应力强度因子KⅡmax为Ⅰ型最大应力强度因子KⅠmax的 2～ 4倍 ,从而导致产生Ⅱ型断裂 ;测得的KⅡC值随无量纲切口长度 (2a W)的增加而降低 ,当 2a W≥ 0 .7,且B≥W ,α为 6 5°～ 75°时 ,KⅡC趋近于一个常数 ,该常数为Ⅰ型断裂韧度KⅠC的 2～ 3倍 ,可认为是较合理的岩石Ⅱ型断裂韧度值 ;剪切盒实验是一种测定岩石KⅡC 的行之有效的方法 .     

脆性岩石反平面剪切(III型)断裂机理的有限元分析

采用有限元法分析了反平面剪切盒(I III型)加载下岩石裂纹尖端的应力场,探讨了岩石发生反平面剪切(III型)断裂的机理。计算结果表明:在反平面压剪加载下,当压模角α为55 o～70 o,附加外压力能有效地抑制裂尖拉应力,使得裂尖最大剪应力与最大拉应力的比值τmax/σ1为3～6,τmax较易在σ1之前达到其临界值,从而发生反平面剪切(III型)断裂。反平面剪切盒实验是实现岩石III型断裂和测定岩石III型断裂韧度KIIIC的有效实验方法。     

内刻V形槽半预制破片战斗部壳体的断裂准则

以内刻V形槽战斗部圆柱壳体为研究对象,研究了其在内爆轰载荷下的临界断裂准则.利用数值模拟方法得到应力集中系数与内刻槽圆柱壳体几何结构参量关系的函数表达式,考虑应力集中效应对孔洞或裂纹的加速增长效应,修正损伤度演化模型方程,在假定柱壳自然膨胀率为常数的基础上,推导出内刻槽圆柱壳体的临界断裂应变判据.实验结果表明,断裂参数理论计算结果与实验结果比较一致.     

某水坝船闸人字门拉杆破坏的断裂动力学分析

对某水坝船闸人字门拉杆断裂事故进行断裂动力学的定性与定量分析.在定量分析中,编写了该裂纹结构受冲击载荷作用下的全尺寸三维动态有限元程序,并进行了大规模的数值计算,确定了表面裂纹动态应力强度因子,论证了该事故发生的原因.分析结果有助于防止水坝船闸人字门拉杆类似事故的发生以及采取相关措施.     

比例边界单元法模拟混凝土梁混合裂缝扩展

 基于线单性断裂力学（LEFM）,采用比例边界有限单元法（SBFEM）模拟了混凝土梁混合裂缝扩展。通过与非线性有限单元法（NFM）模拟结果的对比,说明了SBFEM能预测裂缝扩展轨迹,并能准确有效计算荷载位移曲线及其作用点的挠度曲线。     

桥梁钢 混结合段试验模型加载多目标优化

混合式叠合梁斜拉桥钢-混结合段的受力分析,通常采用有限元分析与试验相结合的方法.模型试验的加载方式与加载力,需要通过模型设计,并保证其与实桥受力状态一致来确定.以红水河大桥为例,建立了实桥结合段有限元模型并对其加载,提取其中关键截面内力,换算得到对应缩尺模型位置的内力;选取钢-混结合面处的内力作为目标值,加载位置与荷载作为优化变量,其他各截面内力作为约束条件,建立新的数学模型;结合遗传算法对该数学模型进行优化,获得了最优的加载方案.     

不同角度裂纹缺陷对材料动态断裂行为的影响

采用新型数字激光动态焦散线试验系统,对含相互垂直和相互共线两种裂纹缺陷介质在冲击载荷作用下的动态断裂行为进行了研究。结果表明:在动态冲击载荷的作用下,边裂纹缺陷处应力集中程度远大于试件的内部裂纹缺陷处应力集中程度;当裂纹从垂直内部裂纹缺陷的端部再次起裂时,表现为Ⅰ/Ⅱ复合型断裂;起裂后,裂纹的断裂模式很快由Ⅰ/Ⅱ复合型向Ⅰ型转化;而对于内部共线裂纹缺陷而言,裂纹的起裂和扩展始终表现为Ⅰ型断裂形式。当内部裂纹缺陷垂直于边裂纹时,内部垂直裂纹缺陷对边裂纹扩展的裂纹尖端的应力强度因子和裂纹扩展速度均有抑制作用;且当裂纹再次从内部垂直裂纹缺陷处起裂后,裂纹的扩展速度和应力强度因子也较共线裂纹缺陷时的高;裂纹扩展速度与裂纹尖端的动态应力强度因子呈正相关性。     

钢结构节点在循环往复荷载作用下的超低周疲劳断裂预测

进行了一个方钢管柱与H形钢梁直接焊接节点试件在往复荷载作用下的试验和有限元分析,采用已校准的微观断裂判据退化有效塑性应变模型(DSPS)和循环空穴扩张模型(CVGM)对其进行了超低周疲劳断裂预测,并对两个栓焊混接边柱节点试件进行了预测.预测结果与试验结果相比有较高的精确度.随后进行了损伤退化参数对断裂预测结果的敏感性分析,得出其取值对预测结果不敏感.因此,微观断裂判据对钢结构节点的超低周疲劳断裂预测有较好的适用性.     

力电冲击荷载下PZT/复合材料梁界面断裂分析

基于非线性有限元方法,对力电冲击荷载作用下PZT/复合材料梁界面断裂进行了研究.通过虚裂纹闭合技术计算了界面裂纹前缘的能量释放率随时间变化的响应曲线,并且采用接触单元防止PZT片和界面裂纹分层前缘的复合材料发生穿透,然后通过比较证明了该求解方法的有效性,最后通过典型算例讨论了压电效应、界面接触、电压、铺层角度和压电材料阻尼对界面动态能量释放率的影响.研究方法和结论对动态工况下PZT/复合材料界面止裂设计具有一定的参考价值.     

现浇混凝土空心楼盖几何参数对受力性能影响的分析

采用通用有限元软件ANSYS建立了现浇混凝土空心楼盖的有限元分析模型,对空心楼盖的变形特征、内力分布规律以及影响现浇混凝土空心楼盖内力和变形的肋宽、板厚等因素进行了分析,研究了各楼盖构造参数对现浇混凝土空心楼盖受力性能的影响规律.研究结果表明,楼板的最大主应力随着肋宽的增加有所降低,楼板的抗弯刚度随着板厚的增加有所提高,考虑到构造要求,必须合理选取空心楼盖的肋宽和板厚.     

拉剪倾倒型危岩失稳影响因素研究

运用断裂力学分析危岩中的倾倒变形破坏,基于岩石拉剪断裂试验,研究裂纹在载荷作用下起裂、扩展规律,探索断裂过程中裂纹的扩展行为,并探讨裂纹长度、宽度、倾角与荷载位置对危岩失稳模式与稳定性的影响。以重庆万州太白岩危岩为例,利用有限元软件ANSYS计算不同裂纹条件下裂纹尖端的应力状态,并讨论其与联合断裂应力强度因子的关系,模拟裂纹扩展的动态过程。结果表明,拉剪倾倒型危岩在受力破坏过程中,裂纹尖端出现拉应力集中,危岩的开裂从张拉破坏开始,下部出现压剪破坏,危岩稳定性的影响因子敏感性从大到小依次为:荷载位置、裂纹长度、裂纹倾角、裂纹宽度。     

基于局部法由示波冲击试验对断裂韧性的预测

研究了基于局部法由冲击试验对三点弯曲试样断裂韧性的预测。通过对X65管线钢韧脆转变温度下的示坡冲击及三点弯曲试验，得到示波冲击试验每个试样的能量-时间、载荷-时间、载荷点位移一时间的关系曲线和三点弯曲试验每个试样的断裂韧性值。利用有限元方法分析了示波冲击及三点弯曲试样裂纹尖端的应力场，通过自编程序求出示波冲击试样和三点弯曲试样的材料局部断裂参量，验证了临界成布尔应力符合局部法理论中的双参数成布尔分布，且证明了对本研究的两类试样，临界成布尔应力与试样尺寸和加载形式无关。基于局部法在脆性断裂条件下成功地实现了由示波冲击结果来预测三点弯曲试样的断裂韧性，不仅验证了局部法理论对X65管线钢的适用性，而且证明基于局部法可以通过冲击吸收功来预测和评价材料的断裂韧性。