双向荷载下多裂纹弹塑性双参数断裂分析

运用J-A2双参数理论,对具有共线双裂纹的平板进行弹塑性断裂分析.采用ABAQUS有限元分析软件,分别计算单向加载及双向加载,在不同载荷比时,具有不同裂纹尺寸与不同裂纹间距情况下主裂纹的断裂驱动力和约束参数.分析结果表明:与裂纹平行的横向荷载对裂纹尖端约束参数A2影响很大,在J-积分相同的情况下,横向荷载越大裂纹尖端约束水平越低;在单向加载情况下,随着相邻次裂纹长度的增加,主裂纹尖端约束水平提高;而在双向加载情况下,随着相邻次裂纹长度的增加,主裂纹尖端约束水平降低;但无论是单向加载还是双向加载,随着裂纹间距的增加,主裂纹尖端约束水平均降低.     

20g钢高温裂纹扩展控制参量

在20g钢高温裂纹扩展实验基础上,将裂纹扩展速率da/dt分别与断裂参量静截面应力σnet、应力强度因子K和C积分相关联,以寻求非稳态蠕变扩展阶段,高温裂纹扩展速率的恰当控制参量·研究结果表明:断裂参量静截面应力、应力强度因子与裂纹扩展速率之间的关系受到加载速率和温度影响·在400℃和500℃下,C积分与裂纹扩展速率均存在着惟一的关系·用C积分控制20g钢高温裂纹扩展速率da/dt较合适,并建立了20g钢高温裂纹扩展速率da/dt的控制方程     

纳入裂尖位置实时预测的天然气管道裂纹扩展模拟方法

数值模拟是协助全尺寸管道爆破试验系统研究天然气管道断裂行为的有效手段。针对传统数值模拟方法无法随裂纹扩展实时调整裂尖前后管道内压分布导致断裂过程模拟不准确的问题,在归纳全尺寸管道爆破试验数据的基础上,提出管道裂纹动态扩展过程中裂尖位置随加载时间分阶段近线性变化的基本假设,结合气体减压模型构建纳入裂尖位置实时预测的迭代加载法。在基于管道全尺寸气体爆破试验结果探究该加载方法有效性的基础上,讨论迭代次数及气体减压模型类型对模拟结果的影响,形成纳入裂尖位置实时预测的天然气管道裂纹扩展模拟方法。结果表明,该模拟方法可有效实现加载边界随裂纹扩展的实时更新,近似实现气体减压、管道变形与裂纹扩展的多场耦合,模拟所得断裂参量、管道变形与试验结果一致性较好。     

三点弯曲下不同加载速率对层状岩体中裂纹扩展规律试验研究

为了研究不同加载下裂纹在含弱层理三层岩体中的扩展特征，开展了不同加载速率下预制裂纹且中间层是弱层理的三层混凝土梁三点弯曲试验，采用了数字图像相关技术(DIC),分析了加载过程中裂缝的产生、扩展和贯穿过程，得到了试验过程中裂纹扩展和水平应变云图的演化规律。结果表明：弱层理对层状岩体裂纹的扩展有阻碍作用，当随着加载速率的增加，总裂纹长度与顺层破裂裂纹也增加，因此弱层理的止裂效果与加载速率成正比的关系。此外，通过DIC分析得到的应变云图能够直观表征层状岩体断裂时应变演化及裂缝产生、扩展和贯通过程。     

裂纹缺陷对结构动态断裂行为的影响效应研究

采用落锤冲击加载的方式,结合焦散线方法,研究了裂纹缺陷对有机玻璃(PMMA)板条试件动态断裂行为的影响效应。通过对试件断裂破坏过程的观测和分析,得到了裂纹尖端动态应力强度因子和裂纹扩展速度的变化规律。结果表明,该试验加载条件下,结构的断裂韧度约为1.00 MN/m~(3/2);裂纹缺陷的存在对运动裂纹扩展的总体效果是抑制的,含裂纹缺陷试件中运动裂纹的扩展时间约为不含裂纹缺陷的1.5倍;随着裂纹缺陷长度的增加,运动裂纹在缺陷处再次起裂更为困难。     

循环加载下砂岩断裂特性试验及模拟

利用WHY-200/10微机控制万能试验机,对红砂岩人字形切槽圆盘试样(CCNBD)进行静态与循环加卸载试验,研究在循环加卸载下红砂岩的Ⅰ型断裂力学特性及变形特征;并基于红砂岩的宏观力学参数进行PFC3D数值模拟试验,探究微裂纹扩展规律.试验结果表明:循环荷载的作用会使砂岩的Ⅰ型断裂韧度值KⅠC减小;且随着循环次数的增加,砂岩的Ⅰ型断裂韧度逐渐减小,直至达到某一下限值;砂岩CCNBD循环加载曲线受到其静态加载曲线的严格控制,循环加载破坏点变形量与静载曲线中同荷载水平下峰后变形量相近;循环加载下试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展规律与上限荷载比相关,主要有3个阶段:初期加载阶段、中期稳定阶段、后期加速阶段;当上限比为0.95时,试样的径向位移变形过程和微裂纹扩展只有初期和加速阶段;当上限比为0.75时,其位移变形和微裂纹扩展只有初期和稳定阶段,且不发生断裂破坏;循环加载下试样韧带两端断裂过程区(FPZ)的微裂纹发生充分衍生和扩展,最终的微裂纹数目明显多于静态加载.     

7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳断口

利用电子显微镜和扫描电镜对7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳断口进行研究,分析了 7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳裂纹的发展过程。结果表明,搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳裂纹萌生 于焊核区和热力影响区的交界处并逐渐向热力影响区内部扩展,最终延伸并断裂于热影响区。腐蚀疲劳断 口存在多个裂纹源,裂纹源萌生于腐蚀坑处。腐蚀疲劳裂纹扩展分为低速扩展、稳态扩展和快速亚稳态扩展 3个阶段。在低速扩展阶段,产生了很多点蚀坑。在稳态扩展阶段,腐蚀疲劳具有脆性断裂特征。在快速亚 稳态扩展阶段,循环荷载成为裂纹扩展的主要驱动力而腐蚀作用的影响减弱。腐蚀疲劳裂纹扩展的瞬断区 呈现以脆性断裂为主的断裂特征。     

TiAl基合金双态组织原位拉伸-卸载试验研究

通过对TiAl基合金不同类型的缺口试样进行原位拉伸-卸载实验及其SEM断裂表面观察,研究了TiAl基合金的断裂机理.研究发现,对于缺口试样,裂纹起裂于缺口根部,其断裂过程主要是主裂纹首先起裂、扩展并最后断裂.对于双态组织,由于晶粒尺寸小,应力集中出现在缺口根部,裂纹沿晶粒边界和层间起裂并扩展,裂纹路径比较平直.在拉伸过程中,试样产生微裂纹导致材料发生损伤,随后卸载再加载时,与先前相比,裂纹更易扩展.预损伤加快了裂纹的产生和扩展,使损伤进一步加重,促使材料抵抗裂纹产生、扩展的能力下降.     

加载速率对岩石声发射活动的影响

岩石声发射活动主要是由岩石内部裂纹的产生、扩展及断裂产生的。采用二维裂纹构形,动用断裂力学理论,导出了加载速率与裂纹扩展的关系。理论推导表明：对于岩石裂纹扩展产生的声发射活动,试验加载速率越大,裂纹越容易实现失稳扩展,声发射活动越强烈。试验证实了理论推导结果。     

中低速冲击载荷作用下SCT岩石试样Ⅰ型裂纹的动态扩展行为

为研究侧开单裂纹三角形(SCT)岩石试样的动态扩展行为和断裂韧度,采用落锤冲击实验系统进行动态加载,通过裂纹扩展计(CPG)得到裂纹的断裂时间和扩展速度;用有限差分软件AUTODYN进行数值模拟,验证实验结果的可靠性;将实验测量的载荷条件代入有限元软件ABAQUS建立的数值模型中,得到动态应力强度因子时程曲线,通过普适函数修正后,利用断裂时间得到动态断裂韧度。研究结果表明:SCT试件构型能够较好地应用于岩石动态扩展行为的研究;砂岩的扩展韧度与裂纹扩展速度呈负相关;数值模拟得到的裂纹扩展路径与实验结果基本一致,裂纹扩展速度不为常数;岩石裂纹动态扩展过程中可能存在止裂现象,止裂韧度大于扩展韧度,但与起裂韧度相差不大。     

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.     

复合应力状态下砂岩损伤演化与裂纹扩展特征试验研究

为从细观尺度上研究复合应力状态下岩石中裂纹的扩展,采用数字图像相关技术,对砂岩人字形切槽巴西圆盘试件展开试验研究。基于试验中获取的试件在加载全程中的裂缝开口位移、全场域的应变场和位移场的分布和演变规律,对岩石的损伤演化及裂纹扩展机制和特征进行分析。结果表明:复合应力状态下岩石的损伤演化具有明显的阶段性;主要断裂形态为翼裂纹和次生裂纹,均为拉剪复合型裂纹;翼裂纹起裂位置随加载角度增大向试件中心靠近,沿曲线路径向加载点扩展,扩展中主导机制为拉伸;次生裂纹从柱面边缘起裂,以较平直路径向切缝尖端或切缝上某处扩展,扩展过程快速而不稳定,拉伸与剪切在其扩展机制中所占比重随加载角度变化。     

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.     

恒位移速率下Fe—15Cr—25Ni合金蠕变裂纹扩展行为

在恒位移速率条件下研究了Ｆｅ－１５Ｃｒ－２５Ｎｉ合金的蠕变裂纹扩展行为，蠕变裂纹扩展分为慢速扩展阶段和稳态扩展阶段。稳态裂纹扩展由加载点位移速率控制，不受晶粒尺寸和温度因素的影响。在慢速扩展阶段，小晶粒具有较高的裂纹摭展抗力，计算出的裂纹扩展表观激活能低于蠕变激活能。断口分析表明：随晶粒尺寸的增大，温度的升高，加载点位移速率的降低，材料呈蠕变脆性断裂。     

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.     

Q345B钢框架梁柱节点焊缝低周疲劳试验

为了研究不同加载制度下的钢框架梁柱节点焊缝低周疲劳性能,设计并完成了六个足尺全焊接梁柱节点焊缝低周疲劳试验,研究了节点焊缝的疲劳裂纹萌生及扩展规律,分析了循环幅值、加载历程对节点疲劳性能的影响,比较了在常幅、变幅及随机荷载作用过程中的疲劳损伤累积程度。结果表明:在三种加载制度下,梁翼缘焊接孔处焊趾最易萌生疲劳裂纹,最终断裂的路径均为焊接孔焊趾裂纹斜向发展,与翼缘焊缝端部裂纹汇合,造成全截面断裂;试件直接经历等幅大变形对节点的疲劳性能较为不利,经历由小变形到大变形的加载过程更能发挥耗能能力;常幅加载的幅值越大,节点累积损伤的速率越快,越早发生疲劳断裂.     

含异侧偏置裂纹试件的冲击断裂试验

利用新型数字激光动态焦散线试验系统,分析了含异侧偏置裂纹有机玻璃(PMMA)试件破坏的时程特性和裂纹尖端扩展过程中的应力奇异性变化。得出该加载条件下试件的断裂韧度约为1.16 MN/m_3/2,异侧偏置裂纹间距对试件冲击断裂韧度没有明显影响。一定范围内,异侧偏置裂纹间距越大,裂纹扩展的对称性越明显。贯穿主裂纹的扩展路径上存在一个明显的应力变化转折点,此处裂纹尖端的应力集中程度加强,试件由以拉伸破坏为主过渡为拉伸、剪切复合破坏。次裂纹尖端发生明显应力释放的同时,主裂纹尖端的应力集中明显加强。裂纹扩展过程中,裂纹尖端的动态应力强度因子表现出明显的震荡变化,主裂纹相对于次裂纹裂尖奇异性更强。     

周边切口试件裂纹稳态扩展过程的动力学有限元分析

建立了以实测的平均载荷^P作为试件端面的力边界条件；以实测的tid和a(t)作为运动边界条件，将周边切口短圈柱试件简化为左右对称且轴对称的精细有限元模型；成功地、较真实地反模拟了冲击加载下裂纹稳态扩展的运动过程，进一步论证了在起裂纹时的围道j(t)积分和裂纹稳态扩展的围道J(t)积分在裂尖稍远处是守恒的；计算得到的阻力曲线与试件尺寸无关；模拟了裂纹起裂及稳态扩展时的变形场和应力场的演化过程，并通过这些精细场的演化过程进一步论证了相应的表征和测试方法。     

材料微观结构和力学性能分析

我校从事下列研究工作: 1.疲劳损伤与断裂 对铝和Al—Cu单晶,从实验上获得了疲劳裂纹直扩展的条件,并证实滑移损伤对开裂起控制作用,而撕裂过程则起加速作用。     

深地充填体断裂特性及裂纹扩展模式研究

为了研究深地充填体的断裂特性,分别将经温度为40,60,80,100和120℃热处理后的胶结充填体试件进行三点弯曲试验,利用高速摄像机-加载系统进行裂纹扩展模式全程捕捉,并编写Matlab图像处理程序,对充填体微观结构进行量化分析。研究结果表明:充填体的断裂韧度与纵波波速随热处理温度的升高而减小;当热处理温度从40℃上升到120℃时,充填体断裂韧度降幅达64.72%;基于波速的变化,热损伤因子D可分为3个阶段,即负损伤阶段、加速损伤阶段和稳定损伤阶段;随着热处理温度升高,孔隙率变化趋势与断裂韧度相反;断裂裂纹可分为3个阶段,且随着温度升高,裂纹的整体扩展路径经历了直线→弯曲→直线的过程,并在断裂过程中出现未脱落块体和碎裂状块体的脱落;主裂纹在扩展过程中会衍生出次生裂纹,且主裂纹分叉特征愈加明显。