Ⅰ型裂纹失稳扩展的临界力学条件

考虑了裂纹前端塑性区的影响,建立了Ⅰ型裂纹在平面应力和平面应变条件下失稳扩展的能量解析式;并由变分法确定了裂纹的临界尺寸。结果表明,当aac1或aac2时,裂纹失稳扩展。讨论表明,裂纹扩展能量随着裂纹尺寸的增加而呈现出先增加后减少的趋势,在临界裂纹尺寸处取得最大值;平面应力条件下裂纹扩展能量高于平面应变条件下裂纹扩展能量;临界裂纹尺寸随外加应力和裂纹张开位移的增大而减少,且平面应力条件下临界裂纹尺寸比平面应变条件下临界裂纹尺寸大。     

材料裂纹扩展分叉机理的晶体相场法研究

[目的]进一步探索材料裂纹扩展分叉的机理。[方法]采用晶体相场模型研究平面应力作用下材料裂纹扩展的动态演化过程,分析裂纹扩展过程体系自由能G、裂纹面积分数S、裂口周长L的变化特征;分别从G、S、L的变化阐述裂纹扩展以及三者与裂纹扩展临界应变εc的对应关系;探讨裂口扩展和主裂纹分叉与体系能量G的内在关联。[结果]无应力施加时期,裂纹面积分数S和裂口周长L没有变化;施加拉伸应力后,当系统应变达到一定程度时,S和L开始同时增加,此时的应变大小对应于裂纹启裂临界应变εc值。[结论]应力施加导致材料中心裂口处应力集中,体系能量上升,系统能量曲线一阶导数的拐点对应于中心裂纹启裂时刻或临界应变。自由能曲线一阶导数拐点处能量上升速率变缓,表明此时弹性应变能得到释放。     

脆性材料在双向应力下阻力特性数值模拟

应用一个材料失效分析模拟软件MFPA2D模拟了玻璃在平面双向应力下不同破坏失稳过程,重点研究了平行于裂纹面的应力对脆性材料临界断裂参数的影响,运用数值模拟和试验及理论分析相结合的方法,阐明脆性材料在双向和单向应力下断裂参数的区别等问题.研究结果证明,双向应力对断裂韧性有明显影响,平行于裂纹面的拉应力对裂纹扩展有抑制作用,压应力对裂纹扩展有促进作用.因此,线弹性材料在双向荷载作用下,传统的应力强度因子准则不适用,裂纹扩展由裂纹尖端应变决定,即双向应力下裂纹扩展具有应变依赖性.     

应力比对脆性材料断裂影响及应变断裂准则验证

应用材料破坏分析软件MFPA2D(material failure process analysis),模拟了平面应力下双向应力比不断变化条件下脆性材料的不同破坏失稳过程,并以玻璃为例,重点研究了其在复杂应力状态下不同双向应力比对脆性材料裂纹扩展和断裂的影响. 研究结果表明,裂纹失稳扩展时的应力强度因子值随着双向应力比的升高而升高. 该结果证明双向应力确实对脆性材料的断裂韧性有影响. 理论分析得出的应变失效准则与数值模拟研究结果及试验结果的比较研究表明,应变失效准则作为脆性材料在双向应力下的断裂准则是可行的.     

扩展中裂纹尖端位移场、应变场──moire放大倍增技术在断裂力学中的应用

应用放大ｍｏｉｒｅ倍增和动态ｍｏｉｒｅ技术对软钢平面应力Ｉ型裂纹试件进行实验，得到以下主要结果，取到裂纹线弹性皮．小范围屈服，大范围屈服段，裂纹起裂，稳态扩展，稳恒扩展，失稳扩展段的裂纹尖端位移场和应变场。给出了裂纹扩展量△ａ与应变尺寸Ｒ（ε）的关系曲线。给出裂纹扩展过程中张开角ＣＯＡ的变化。对裂纹张开位移ＣＯＤ与σ／σｓ的曲线在较小范围屈服条件下与Ｗｅｌｌｓ计算结果进行了比较。对～ε０／εｓ曲线进行了讨论。     

不同温度下有机玻璃厚板的平面应变断裂韧性试验

为研究有机玻璃平面应变断裂韧性(KIC)与温度的关系,设计了母材和带拼接缝试件,在-40~40℃范围内进行三点弯试验.采用疲劳试验机预制疲劳裂纹,利用酒精和液氮对试件降温,用纯水进行升温,观察试件宏观断口形貌,结合有限元和断裂力学进行算例分析.结果表明:在低温下,试件达到极限荷载后迅速断裂,失稳扩展的裂纹临界长度较小,裂纹扩展速率快;高温下,临界长度较大,裂纹扩展速率慢.母材试件在20℃时KIC最小,-20℃时最大,而带拼接缝试件在40℃时KIC最小,-40℃时最大.断面上沿裂纹扩展方向的弧状条纹数增多会导致KIC降低,当出现垂直于疲劳裂纹边缘线的放射状条纹时,KIC进一步降低.对于所提算例,裂纹尖端各点的应力强度因子随裂纹深度的增加而增加.     

用不预裂圆柱试样测试K_(IC)的研究

本文介绍了用仅有V形切口而不预制裂纹的圆柱试样测试材料平面应变断裂韧度的新方法.试样经拉伸断裂后,断口仍明显分为环形裂纹和圆截面脆性断口两部分,两者的分界线即为裂纹失稳扩展的临界位置.通过断裂图可精确确定临界载荷,从试样断口可准确测量脆性断口直径;而且圆柱试样能理想地满足平面应变和小范围屈服的条件,因此,可测定材料平面应变断裂韧度的准确值.由于该方法不需要单独预制裂纹,设备简单,方法简便,故易于推广.     

含中心裂纹石墨烯拉伸性能的分子动力学模拟

基于分子动力学方法,采用Tersoff势函数,研究了含中心裂纹扶手椅型单层石墨烯薄膜的破坏过程.得到了相应的应力-应变曲线及破坏形态,分析了裂纹尺寸、应变率以及温度变化对含中心裂纹石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响.研究结果表明:随着裂纹尺寸的增大及温度的升高,石墨烯薄膜的破坏强度和破坏应变均减小,裂纹开始扩展时对应的应力减小;随着应变率增大,石墨烯薄膜的破坏强度和破坏应变均增加,裂纹的起裂应力及扩展过程中的平均速度均增加;薄膜的破坏均是从中心裂纹附近开始,随着裂纹尺寸、应变率及温度的变化,石墨烯薄膜表现出不同的破坏机制;较高应变率作用下,薄膜中心和边缘处均出现C—C键断裂.     

硬岩矿柱纵向劈裂失稳突变理论分析

应用断裂力学理论讨论硬岩矿柱初始裂纹在上覆岩层作用下贯通形成层状结构的机理, 指出裂纹间相互作用引起裂纹的失稳扩展, 从而相互连接形成层状结构. 在此基础上, 应用能量原理及突变理论推导矿柱失稳的临界载荷及临界应力, 提出矿柱发生失稳的屈曲模型. 研究结果表明： 矿柱发生失稳与分裂岩层的屈曲破坏有关;而岩层的屈曲除与岩石的材料参数有关外, 还与分裂后的厚度即裂纹的分布有关;算例计算值与实际经验值相一致, 可为合理安排开采顺序、布置采场等提供依据.     

恒应力速率下陶瓷材料的亚临界裂纹扩展模型

从断裂力学出发,利用阻力曲线（Ｒ曲线）,建立了恒应力速率条件下陶瓷材料亚临界裂纹扩展模型．利用计算机数值计算,获得材料在动态载荷条件下,裂纹扩展速率Ｖ与应力强度因子Ｋ的关系（Ｖ－Ｋ曲线）,并分析了动态疲劳现象的本质．此模型的中心思想在于将亚临界裂纹扩展分为相互独立的２个过程,即：裂纹瞬时局域失稳扩展和应力腐蚀．利用此模型,对Ｓｉ３Ｎ４陶瓷的动态疲劳特性作出的理论预测与实验结果趋势一致．     

循环动载下大理岩的力学响应及裂隙扩展规律

为研究大理岩在循环冲击载荷下的动态力学性能,利用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)及核磁共振装置(NMR),研究循环动载(1～10 s~(-1))冲击下岩石内部的裂隙发展规律.结果表明:岩石在循环动载冲击下,峰值应力随应变率的增大变化很小,但是随着冲击次数增加,存在一个临界应变率或冲击次数,当达到该临界值时,峰值应变快速增大;岩石在最初冲击时,表现出明显的弹性后效,随着冲击次数增加,岩石内部裂纹起裂时间越来越早,且裂纹扩展越来越快,应变幅值增大;通过核磁共振成像发现,随着冲击次数的增加,裂隙集中发育(白色亮点)愈来愈明显,呈条带状分布,并逐渐贯通.从最终破坏形态来看,大理岩在动载下为轴向劈裂破坏,大块较多.     

微裂纹起裂扩展机理的晶体相场模拟

【目的】研究初始晶向倾角为15°的样品分别在垂直和水平方向上,单轴拉应变作用下的纳观尺度裂口发射位错与裂纹扩展行为,了解韧性裂纹的生长特征和扩展规律,揭示纳米级韧性裂纹扩展机理及其对材料断裂的影响。【方法】采用晶体相场(PFC)方法观察15°晶向倾角下位错发射与裂纹扩展演化图及其对应的应力曲线图。【结果】垂直和水平不同方向拉应变作用下裂纹扩展方向不同,但裂纹都是韧性断裂模式扩展;当单轴拉应变作用达到临界值时,样品裂口开始发射滑移位错,随着外应力的增大,位错在滑移过程中留下一系列空位,空位长大连通形成裂纹并与主裂口相连,裂纹随着位错运动而扩展。【结论】在韧性裂纹扩展中,位错发射的运动对韧性裂纹扩展演化有重要影响。     

低温冻结状态下岩石的变形特性及力学行为研究

为研究冻土地区不同含水状态下冻结岩石的力学行为,对凝灰岩和玄武岩冻土试件进行了常温20℃和低温-20℃下的单轴压缩试验和巴西劈裂试验.通过观察其变形行为和声发射活动,研究了其断裂破坏过程以及饱水率对材料强度和变形性能的影响.结果表明,冻结岩石的破裂过程分为以下几个阶段:Ⅰ阶段为裂纹气孔闭合;Ⅱ阶段为弹性变形;Ⅲ阶段为裂...     

基于XFEM的切槽炮孔定向断裂爆破数值模拟

 应用ABAQUS 扩展有限元（XFEM）模拟了切槽炮孔定向断裂爆破时爆生裂纹沿切槽方向和非切槽方向的起裂、扩展和止裂。结果表明：切槽方向爆生裂纹的起裂时间比非切槽方向早10 μs;裂纹扩展速度较非切槽方向具有明显的阶段性,可分为加速扩展、失稳扩展和减速扩展3 个阶段;裂纹的止裂时间比非切槽方向晚60 μs。在裂纹扩展阶段,切槽方向在失稳扩展阶段爆生裂纹的平均速度为1343 m/s,非切槽方向爆生裂纹的平均速度为600 m/s,仅为切槽方向爆生裂纹平均速度的44%,说明切槽有利于爆炸能量释放,增加爆生裂纹的扩展速度。切槽方向和非切槽方向爆生裂纹扩展的平均距离分别为124 mm 和45 mm,说明切槽对爆生裂纹的扩展有明显的导向作用。XFEM 能够正确模拟切槽爆破爆生裂纹的扩展,具有广阔的应用前景。     

碳化物粒子尺寸对裂纹断裂韧性的影响

通过对铁素体晶粒尺寸相同、碳化物粒子尺寸不同的两种低合金钢ＣＯＤ裂纹试样断裂韧性的测试，宏微观断口和力学参数的测量，结合断口、金相观察分析，对碳化物粒子尺寸对裂纹断裂韧性的影响及其机理进行了研究．结果表明：在裂纹试样的解理断裂中，临界事件是碳化物粒子尺寸的微裂纹扩展进入铁素体基体．碳化物粒子尺寸在决定局部断裂应力。ｆ和有关的韧性参数中起决定性作用．在铁素体晶粒尺寸和屈服应力相同的条件下，大碳化粒子尺寸的材料具有低的裂纹断裂韧性．     

含表面梯度强化层的缺口样品疲劳起源寿命数值分析

以Tanaka和Mura的疲劳模型为基础,引入弹性应变能释放项,构建了新的适用于复杂载荷的疲劳模型.利用这一模型,结合表面梯度强化层的强度、模量和残余应力的梯度分布特征,对含表面梯度强化层的缺口样品的疲劳形核寿命分布及裂纹起源位置进行数值分析.分析结果表明:表面强化会增加样品的疲劳形核寿命,强化层厚度变化会改变裂纹形核位置.存在临界厚度,当强化层厚度小于临界厚度,裂纹形核于强化层与基体的界面;反之,形核于强化亚表层或表面.硬度比增加会导致临界厚度增加,过大的残余压应力会降低疲劳裂纹形核寿命.相同名义应力集中系数值(Kt)的样品在同一强化工艺处理后,其疲劳形核寿命和裂纹起源位置随样品缺口尺寸而改变.     

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。     

水-动力耦合作用下红砂岩动态强度及破坏机理

为探究水化学损伤下红砂岩的动态强度和破坏机理,通过自然、干燥和饱水红砂岩试样的静态单轴压缩和动态单轴冲击试验,结合岩石碎块的电镜扫描(SEM)图像,分析了不同含水状态和应变率荷载等级下岩石的强度特性,并基于损伤断裂理论分析了含水岩石微裂纹起裂和扩展机理.试验结果表明:红砂岩试样动态抗压强度随含水率的增加而降低,随应变率的增加而增大,饱水试样具有显著的应变率效应;冲击荷载下,饱水试样应力-应变曲线具有显著的体积压缩现象,峰值应变最大,塑性变形明显,而干燥试样弹性变形最大,峰前塑性变形最小;受孔隙水影响,饱水试样颗粒结构疏松多孔,胶结物质被溶蚀而使胶结作用弱化.根据最大周向正应力理论,对含水岩石的微裂纹起裂条件和扩展方向进行了讨论,并对裂尖的动态应力强度因子进行了修正.     

脆性材料复合裂纹断裂判据研究

研究了混凝土等拉压强度不等的脆性材料在平面应力和平面应变情况下裂纹附近的塑性区的范围，并给出了相应的表达式；运用在一定外力作用下物体内等效应力作为断裂判据，推测含复合裂纹的脆性材料的裂纹扩展时的临界条件相扩展方向，计算了试件在6个不同裂纹角时断裂角的大小，其结果与最大周向正应力理论判据、最小应变能密度理论判据及实验结果比较，说明用最小等效应力作为含复合裂纹的脆性材料的裂纹断裂判据是可行的．     

高强高性能细粒混凝土断裂特性研究

纤维编织网增强混凝土（textile reinforced concrete,TRC）结构薄壁轻质,具有良好的耐久性、限裂性、定向增强性．而作为TRC基体的细粒混凝土,其基本断裂参数和力学特性不同于普通混凝土,需要重新确定．为此,采用带切口的不同尺寸的三点弯曲梁研究了其断裂特性．试验结果表明：断裂过程中细粒混凝土达到失稳破坏前也要经历一个裂缝稳定发展的过程,其失稳断裂韧度基本保持不变,但起裂韧度随试件尺寸的增大而减小;对荷载一位移曲线的尾部进行修正后,得到的断裂能几乎没有尺寸效应,可作为一个材料常数．