I型裂纹失稳扩展的临界力学条件

本文考虑了裂纹前端塑性区的影响,首次建立了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 或 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.     

损伤材料中扩展裂纹的应力场

利用Ｇｕｒｓｏｎ本构理论，导出了损伤材料在平面应力条件下准静态定常扩展Ｉ型裂纹近裂纹线应力场和裂纹前方塑性尺寸的解析表达式。研究结果表明：随着材料损伤量的增加，裂纹尖端处应力降低；裂纹尖端处应力不存在奇异性；裂纹前方塑性区尺寸受材料损伤程度的影响。     

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．     

损伤材料中扩展裂纹的应力场

利用Ｇｕｒｓｏｎ本构理论，导出了损伤材料在平面应力条件下准静态定常扩展Ｉ型裂纹近裂纹线应力场和裂纹前方塑性区尺寸的解析表达式。研究结果表明：随着材料损伤量的增加，裂纹尖端处应力降低；裂纹尖端处应力不存在奇异性；裂纹前方塑性区尺寸受材料损伤程度的影响。     

体心立方铁中裂纹扩展的结构演化研究

用分子动力学模拟的方法研究了bcc-Fe中Ⅰ型裂纹在应力及温度场下裂尖区的结构演化问题.做了两组模拟.基于各向同性线弹性力学的平面应变条件得到初始裂纹.(1)第一组模拟选取初始温度T=5 K、应力强度因子KI=1.0 KIC(KIC是临界应力强度因子),设在所对应的外载下存在初始裂纹,随后温度增加到100,300,和500 K,外载增加到KI=2.8 KIC.在这组模拟中,显示出堆垛层错.裂纹形状尖锐,且扩展速度较快.(2)第二组模拟选取初始温度T=100 K,应力场条件同于第一组,温度加到300和500 K,外载加到KI=2.8 KIC.在这组模拟中,显示出了堆垛层错、位错发射、裂尖钝化和分枝,以及孪晶带;该组裂纹的扩展速度慢于第一组.计算表明,裂纹在扩展过程中结构演化的特点与初始裂纹的工作条件有关.此外,计算了裂纹扩展过程中体系的能量,结果显示相应于发射位错状态,体系趋向于稳定态过渡.     

关于裂纹稳定扩展过程的数值模拟及非线性断裂准则问题

一、前言在文献[1]中,作者曾作出大范围屈服下的静态裂纹分析,但是,中低强度材料的小试样断裂试验表明,在裂纹失稳扩展前常常存在着一个稳定扩展阶段,裂纹稳定扩展的尺寸可与起裂前的塑性区尺寸相比拟,在断裂的这一阶段中,裂纹尖端地区是不断撕裂的,造成了该地区应力应变场的强烈扰动,裂纹尖端附近一部分塑性区发生卸载,以后又重新加载,这时的应力应变场是强烈地依赖于应力历程的,要用数学解析方法解决这一裂纹稳定扩展问题目前显然是不可能的。     

静载荷作用下三维线弹性弯曲裂纹路径预测（英文）

利用二阶摄动方法研究了静载荷作用下结构线弹性裂纹的弯曲扩展问题、裂纹路径预测时的应力准则与能量准则之间的关系,并求解出三维静态应力强度因子.归纳总结出三维线弹性弯曲裂纹扩展的判据,求解出三维线弹性弯曲裂纹扩展过程中的形状参数.利用Irwin公式计算出三维弯曲裂纹扩展引起的静态能量释放速率.研究了具有非均匀断裂韧性的材料的三维静态弯曲裂纹.就均匀物质而言,在二阶摄动分析理论的框架内,两种准则指明了相同的三维静荷载弯曲裂纹扩展路径.但在具有非均匀断裂韧度的物质中,能量准则优越于应力准则.对三维静态弯曲裂纹路径失稳因素进行了比较和分析,研究了不同初始三维裂纹长度下材料退化与静施应力或外静应力之间的临界关系.     

砂岩破裂失稳声发射临界特征与Kaiser点识别研究

为了研究砂岩内部微裂纹的损伤扩展特征,对取自鄂尔多斯盆地的19块细砂岩试样开展了单轴压缩声发射试验,获得了岩石脆性破裂失稳临界应力特征,并与重整化群条件下理论临界特征进行对比,开展了基于关联维数的Kaiser点综合识别法研究.结果表明:试样破裂失稳声发射临界特征比较明显,撞击率和能率均呈激增现象;临界应力强度比平均0....     

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.     

高速列车制动盘表面裂纹的扩展特性

分析了制动盘在运行过程中的载荷特征,采用有限元法模拟制动盘在不同制动工况下的热应力分布,发现反复制动形成的拉压应力循环是裂纹扩展的主要驱动力.依据制动盘裂纹剖面的形状特征,采用三维裂纹扩展软件FRANC3D建立了裂纹扩展模型,研究了盘面裂纹的应力强度因子随裂纹长度的变化规律.结合疲劳裂纹扩展理论和裂纹扩展门槛值,估算了临界裂纹尺寸和扩展寿命,以及不同裂纹尺寸扩展到临界长度时的运营里程.研究结果可为制动盘裂纹容限的制定提供参考.     

缺口夹角对细观解理断裂应力的影响

用弹塑性有限元 (FEM)方法分析了 C- Mn钢不同缺口夹角 4点弯曲试样(4 PB)缺口前的应力 -应变场分布 .精确测量了解理起裂源距缺口根部的距离和细观解理断裂应力σf.结果表明 :当缺口夹角从 10°增加到 90°时 ,断裂时的高应力、应变分布产生了明显变化 ,而σf 值相对保持不变 ;解理的临界事件也没有变化 ,表现为铁素体晶粒尺寸的裂纹扩展进入邻近基体 .因而 σf 主要由临界裂纹的长度决定 ,缺口夹角及与其相关的高应力体积对σf 的值几乎没有影响     

循环热力作用下压气储能洞室钢衬的疲劳耐久性

以大同云冈矿拟建的压气储能电站为例，构建压气储能洞室热力耦合计算模型，通过应力疲劳、应变疲劳、裂纹扩展疲劳3种疲劳分析方法对长期运行条件下钢衬的耐久性进行研究。结果表明：钢衬疲劳寿命计算中必须考虑裂纹扩展的影响，应力疲劳法和应变疲劳法由于没有考虑裂纹扩展的影响，会使疲劳寿命计算结果偏大；钢衬疲劳寿命主要受围岩弹性模量、洞室运营压力和初始裂纹尺寸影响，围岩弹性模量越大、洞室运营压力及初始裂纹尺寸越小，相应的钢衬疲劳寿命就越大；此外，钢衬疲劳寿命随着钢衬厚度的增加而增加，但存在一个最佳厚度，当钢衬厚度大于该厚度时，钢衬的疲劳寿命将不会有明显变化。