基于权函数法的沥青路面基-面层裂缝的扩展行为

为了研究半刚性基层沥青混凝土路面在行车荷载作用下出现的基层反射裂缝及其扩展规律,基于黏弹性断裂力学理论和权函数法,对反射裂缝的应力强度因子进行了分析,推导了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂判据理论.采用数值模拟方法分析了结构层厚度及荷载位置对基层反射裂缝的影响,并通过单边切口小梁试验研究了面层裂缝扩展模式.研究结果表明:Ⅰ型(K_Ⅰ)和Ⅱ型(K_Ⅱ)应力强度因子受路面结构层厚度的影响较大,在行车荷载作用下Ⅰ型裂纹扩展模式起主导作用,增加基层厚度对防止反射裂纹的产生有一定的效果;在考虑水平荷载作用时,Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子均随荷载位置的变化而变化,随着荷载与裂纹距离的不断增加,K_Ⅰ逐渐减小,K_Ⅱ逐渐增加,反射裂缝逐渐偏向Ⅱ型裂纹扩展模式;在不考虑水平作用时,基层反射裂纹以Ⅰ-Ⅱ复合型形式出现,并在应力集中下向面层扩展,扩展模式表现为Ⅰ-Ⅱ复合型.     

7085-T7452铝合金复合型疲劳单裂纹应力强度因子计算

为探究7085-T7452铝合金I-Ⅱ复合型加载下疲劳裂纹扩展机理,利用ANSYS软件建立了含裂纹T7452铝合金的有限元模型,运用最大环向拉应力准则计算复合型裂纹扩展方向,计算出T7450铝合金复合型加载下裂纹尖端应力强度因子;同时研究了复合型裂纹扩展过程中I、Ⅱ型裂纹应力强度因子变化规律.     

基于扩展有限元法的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展研究

基于扩展有限元法(XFEM)研究了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展问题. 对于裂纹面间的力学行为,用内聚力模型(CZM)进行了描述. 推导了引入内聚力模型后扩展有限元法的单元刚度矩阵,研究了加载方向对紧凑拉剪试件复合型裂纹扩展的影响. 研究结果表明:加载方向对裂纹起裂角影响较大,试件的最大承载力随着加载角度的增大近似线性增加;同时,在不同加载角度下数值模拟得到的裂纹起裂角和力-开口位移曲线与实验结果相吻合.      

Ⅰ-Ⅲ型复合加载下铝合金疲劳裂纹扩展速率

通过有限元数值模拟和疲劳裂纹扩展试验,研究了铝合金材料在Ⅰ-Ⅲ复合型加载条件下的疲劳裂纹扩展规律,得到了在不同加载情况下裂纹的应力强度因子、裂纹前缘能量场和塑性区半径.在分析Ⅰ型拉力载荷对裂纹扩展的基础上,着重分析了Ⅲ型加载对Ⅰ型裂纹应力强度因子及裂纹前缘能量场的影响.结果表明:应力强度因子KⅠ随着Ⅲ型加载的增大而减小,而裂纹附近塑性区半径增大.进行Ⅲ型静态加载会使疲劳裂纹扩展速率减小,在一定范围内,Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展速率随着Ⅲ型加载的增加而减小;而在进行Ⅲ型循环加载会使疲劳裂纹扩展速率增大,在一定范围内,Ⅰ-Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展速率随着Ⅲ型加载的增加而增大.     

两种不同模式下的沥青混合料断裂过程研究

为了深入研究沥青混合料在Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ复合型模式下的断裂特性与机理,采用了扩展有限元方法对单边切口梁的断裂过程进行了数值模拟和分析.通过与试验数据的对比发现,扩展有限元方法可以有效地计算不同模式下裂缝扩展的路径以及断裂过程中的力学响应.进一步分析表明:小梁的断裂过程可以分为4个阶段;当加载点的荷载达到峰值时,小梁已经处于损伤累积阶段,荷载开始下降后,裂缝才逐渐形成;断裂过程可以理解为损伤带内拉应力下降、未损伤带内拉应力上升或者上升后再下降的过程,且损伤带长度不断增加;Ⅰ-Ⅱ复合型断裂的临界偏移系数为0.45~0.51,与试验结果基本一致;当偏移系数为0.45时,跨中局部区域在加载过程中出现了"卸载"现象,导致损伤不再增加,抑制了次裂纹的产生.     

压载条件下裂纹断裂扩展的位移不连续数值分析

以土木工程中普遍存在的压缩荷载作用下裂纹扩展演化问题为研究背景,通过建立闭合裂纹表面接触阻力的缓和和迭代及复合型裂纹尖端应力强度因子KⅠ、KⅡ的数值渐近解法,将位移不连续数值方法（DDM）应用于压载条件下二维复合型裂纹的断裂扩展分析,取得了与理论和实验吻合的计算结果。所用方法能有效地避免裂纹尖端采用奇异单元及开裂过程单元重划分的繁琐,解决了裂纹闭合状态下缝面阻力的合理模拟,对压载复合裂纹问题分析有一定参考意义。     

基于边界元法的疲劳裂纹扩展模拟

用数值方法模拟疲劳裂纹扩展对预测构件残余寿命具有重要意义。该文以基于子域法边界元分析的一点面力法解决了裂纹扩展全过程的应力强度因子精度问题．用坐标变换法导出了Ⅰ－Ⅱ型复合裂纹最大周向应力准则的扩展偏角和有效应力强度因子；建立了复合型裂纹疲劳扩展数值模拟算法，并在ＳＧＩ工作站上研制了具有裂纹构形自动更新和动态图形显示功能的模拟演示软件，该软件对试件裂纹扩展模拟的结果与试验结果一致，说明该文方法具有高     

T应力对扩展裂纹尖端塑性区域形状的影响

根据Williams级数解,裂纹尖端应力场由Ⅰ-Ⅱ复合型应力强度因子及T应力共同控制。将裂纹尖端应力分量代入Von Mises屈服准则,建立裂纹尖端塑性扩展区模型。基于该模型获得了在不同Ⅰ-Ⅱ复合比断裂情况下裂纹尖端塑性扩展区形状随T应力的变化规律,并对Ⅰ型和Ⅱ型断裂在复合型裂纹断裂所占的比例、T应力大小及泊松比对塑性区域形状的影响进行了讨论。研究结果表明:正的T应力引起裂纹断裂角θ_0减小,加剧裂纹扩展;负的T应力导致裂纹断裂角θ_0增大,并抑制裂纹扩展;T应力为0或纯Ⅰ型裂纹尖端塑性区存在对称轴,存在T应力后,塑性区域呈不对称分布,T应力绝对值越大,塑性区域面积越大,T应力对裂纹尖端塑性区形状及尺寸大小均有很大影响。此外,不同Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,塑性区域面积均随泊松比的增大而减小。塑性区变化的观测结果对进一步分析加载条件下Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹工程结构缺陷的疲劳和断裂具有重要意义。     

平面复合型疲劳裂纹扩展问题

本文要解决的是平面复合型疲劳裂纹扩展方向以及疲劳寿命的预测问题。主要内容如下: 1.提出“等双剪应力线上δθmax平面复合型裂纹开裂判据”。与其它判据相比较;本判据所预测的裂纹开裂方向更接近于疲劳裂纹扩展试验的结果。2.文中指出:是Z形裂纹的分支方向,而不是其主裂纹方向,在Z形裂纹的KⅠ,KⅡ值中起着支配性的作用。接着提出二个计算Z形裂纹应力强度因子的近似方法。3.为预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命,文中提出了一个新的裂纹扩展速率表达式,即折合张应力强度因子指数公式。此式所预测的寿命较接近于实验值。最后,还讨论了应用主应力强度因子K*,应变能释放率G,应变能密度因子S,预测复合型疲劳裂纹扩展的寿命问题。     

正交异性钢桥面板的疲劳裂纹扩展规律

为了研究正交异性钢桥面板U肋-横隔板的连接部位的疲劳问题,基于扩展有限元方法分析典型疲劳裂纹的扩展机理,并引入U肋-横隔板焊缝的残余应力,分析残余应力对疲劳裂纹扩展的影响。研究结果表明:萌生于横隔板开孔处的疲劳裂纹未考虑残余应力时不会扩展,加入残余应力后会改变裂纹的应力状态,裂尖应力可以驱动横隔板开孔处的裂纹扩展,裂纹扩展类型为Ⅰ型裂纹;萌生于U肋焊趾处的疲劳裂纹为Ⅰ型主导的Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹,残余应力会影响裂纹扩展角度;对于萌生于横隔板焊趾处的裂纹,相比于不考虑残余应力的情况,考虑残余应力的裂纹扩展规律与实桥开裂规律相符,说明对于焊缝疲劳裂纹,在疲劳评估时应考虑焊接过程中残余应力对评估结果的影响。     

Ⅰ－Ⅱ复合型裂纹亚临界扩展研究

对两种工程材料ＬＹ１２－ＣＺ铝合金和１６Ｍｎ钢的薄板斜拉伸试件进行了裂纹扩展试验研究。提出了用当量裂纹法预测Ⅰ－Ⅱ复合型裂纹亚临界扩展寿命的方法。实验结果表明，当量裂纹法预测复合型裂纹疲劳寿命的方法简单可行。     

铝合金材料残余应力及缺陷对裂纹扩展的影响

对于铝合金材料中存在的Ⅰ型裂纹及混合型预裂纹,研究了残余应力及其材料中存在的缺陷对其扩展方向的影响.对应于实验过程中的实际裂纹,通过有限元解析模拟计算出无残余应力状态下裂纹端部的应力强度因子KⅠ和KⅡ,从理论上利用Erdogan-Sih的б0假说对裂纹的扩展方向作了预测.结果表明,无论是Ⅰ型预裂纹还是混合型预裂纹,其预测的裂纹扩展方向都与裂纹扩展的实验结果基本吻合.即裂纹的扩展方向主要受到循环载荷的影响,而与残余应力无关.     

材料构型力驱动的复合型疲劳裂纹扩展行为研究

基于材料构型力断裂准则,提出了一种描述复合型疲劳裂纹扩展规律的新模型,该模型不仅能够预测复合型裂纹的扩展路径,而且可以计算裂纹扩展寿命。以该模型为基础,对疲劳问题中的复合型裂纹扩展失效问题进行了研究。首先,根据材料构型力理论,建立了复合型疲劳裂纹扩展模型,开发了构型力的有限元计算程序,实现了疲劳裂纹扩展的数值计算;其次,采用构型力驱动准则,对Ⅰ型和I-II复合型疲劳裂纹进行了数值分析,计算了裂纹扩展路径以及扩展寿命,数值分析结果与试验结果基本一致,从而验证了该方法的有效性。最后,针对工程实际中可能出现的复杂疲劳裂纹扩展问题,具体研究了边界裂纹与圆孔缺陷干涉作用下的金属板疲劳问题,结果表明:斜裂纹角度以及孔洞与裂纹的相对位置均会影响扩展路径以及疲劳寿命;对于不含圆孔的斜裂纹问题,裂纹角度越大,寿命就越长,而对于含圆孔的边界裂纹问题,由于孔洞的存在导致了裂纹朝孔洞方向偏转和裂纹扩展速率减小,并可能发生止裂现象。     

岩石Ⅱ型裂纹扩展的一般规律

对大理岩Ⅱ型裂纹的扩展规律进行了实验研究，认为岩石Ⅱ型裂纹的扩展具有机理完全不同的Ⅰ型、Ⅰ－Ⅱ复合型及Ⅱ型３种断裂形式，因而有３个不同的剪切断裂韧性及在纯剪断裂条件下，由此认为剪切裂纹的扩展应有３个不同的判据。     

加载角度对高速列车铝合金焊接接头裂纹扩展路径的影响

以A7N01铝合金焊接接头为研究对象,基于最大周向应力准则,通过数值模拟的方法对接头裂纹在Ⅰ-Ⅱ复合加载下的扩展路径进行了研究,其中重点分析了当裂纹扩展到焊缝与母材之间的界面时,复合加载角度α对其启裂角度θ的影响.结果表明:在Ⅰ-Ⅱ复合载荷作用下,接头裂纹扩展到界面时,其扩展方向存在三种可能性:一是继续在焊缝中扩展;二是沿着界面方向扩展且不进入母材;三是穿过界面且进入母材.当α=30°时,裂纹在界面处的启裂角θ约为0°,裂纹将沿着界面的方向扩展且不进入母材;当α=45°时,裂纹在界面处的启裂角θ约为30°,裂纹将穿过界面且进入母材;当α=60°时,裂纹在界面处的启裂角θ约为41°,裂纹将穿过界面且进入母材.     

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。     

对“斜裂纹分枝应力强度因子k_Ⅰ、k_Ⅱ的光弹法测定”一文的商榷

实际工程结构中,裂纹尖端多处于复合型变形状态。例如航空和船体结构中的加筋板和壳,受拉剪联合作用,这类结构的裂纹应属Ⅰ、Ⅱ复合型问题。又例如,压力容器与大型旋转构件都存在Ⅰ、Ⅱ或Ⅰ、Ⅲ型复合型裂纹问题。因此,研究复合型裂纹的失稳与扩展规律,有重要的理论和实际意义,已成为近年来断裂力学研究的重要课题。国内外关于这方面的资料很多,但其中多数只涉及临界状态和构件的脆性断裂,并不能描述裂纹扩展的全过程。裂纹扩展的全过程是非常复杂的,尤其是不处在同一平面的裂纹扩展规律,及混合型裂纹延性断裂问题,至今尚进一步研究。相比之下,讨论混合型裂纹失稳扩展后有关问题的资     

滚动接触作用下钢轨表面裂纹扩展机理分析

为了分析车轮纯滚动接触作用下的钢轨表面裂纹扩展机制,建立含表面裂纹的轮轨滚动接触疲劳计算模型,获得15t轴重作用下钢轨表面裂纹长度由0.1mm扩展到2.0mm全过程的裂纹尖端应力强度因子变化规律.基于复合型断裂准则和Paris疲劳扩展理论,分析钢轨表面裂纹扩展规律.分析结果表明:在微裂纹扩展至可见裂纹阶段,钢轨表面疲劳裂纹属于Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹;随着裂纹长度增加,应力强度因子K_Ⅰ先迅速增加,然后逐渐减小,而KⅡ在裂纹扩展全过程中呈增加趋势;裂纹萌生与扩展初期以张开型为主,随着裂纹长度增加,其扩展形式向滑开型转变;当裂纹扩展至0.3~0.5mm间时,倾向于向上扩展导致剥离掉块,该扩展趋势与现场服役钢轨剥离路径较为一致.     

复合型裂纹脆断主应变因子准则

提出了一种复合型裂纹脆断的主应变因子准则。该准则为：1）定义垂直于裂纹扩展径向平面上的主应变ε1及极径r的组合量√2πrε1为主应变因子ε1^-,裂纹将沿主应变因子取得最大值的径向扩展;2）垂直于裂纹扩展径向平面上的主应变因子的方向与原裂纹面法线方向的夹角为扩展裂纹面的扭转角,当主应变因子达到临界值时裂纹将失稳扩展。由此导出了裂纹的开裂方向和裂纹面扭转角有断裂方程。Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹断裂试验表明：主应变因子准则与试验结果基本相符,利用其进行断裂评定较安全。     

移动荷载下沥青路面双Top-Down裂纹扩展特性

目的研究沥青路面双Top-Down裂纹在移动荷载作用下的扩展特性.方法基于断裂力学与动力学理论,考虑沥青混合料的黏弹性特性,采用有限元数值模拟方法,研究含双Top-Down裂纹沥青路面在移动荷载下的动力响应,分析裂纹间距与面层材料类型对裂纹尖端应力强度因子的影响.结果在移动荷载的作用下,双裂纹并存时面层加速发生Ⅰ、Ⅱ型开裂扩展要比单裂纹的情形更为严重;对于居中裂纹,随着裂纹间距的增大,K_Ⅰ的峰值略有增加,而KⅡ的左峰值逐渐增大,右峰值则逐渐减小;对于侧边裂纹,K_Ⅱ峰值随裂纹间距的变化规律与居中裂纹相反;当荷载作用在居中裂纹或侧边裂纹正上方时,就裂纹间距而言,间距大易引发Ⅰ型裂纹扩展,间距小易引发Ⅱ型裂纹扩展.结论在移动荷载作用下,对于已存在居中裂纹或侧边裂纹的面层,改性沥青SMA材料Ⅰ的抗开裂扩展性能最优,改性沥青AC材料Ⅲ其次,而普通沥青AC材料Ⅱ最差.