岩石三维裂纹扩展问题的近场动力学数值模拟

近场动力学（PD）方法基于键的形式处理断裂问题,对裂纹尖端可自动追踪,因而在求解三维裂纹扩展问题时具备极大的优势,但该方法中也存在数值震荡与边界误差等问题。为解决上述问题,首先应用无网格伽辽金弱形式框架对非常规态基近场动力学方法进行了探讨;随后引入近场动力学微分算子（PDDO）近似,并对比分析了该近似与重构核粒子（RKPM）近似间的差异,提出了具备更高数值精度的RKPM-PD耦合算法,并给出了该算法的隐式迭代流程。最后,通过若干数值算例验证了该算法在求解三维裂纹扩展问题上的有效性。     

包含△K和Kmax二参数的疲劳裂纹扩展模型

除了材料自身特性和环境因素外,疲劳裂纹扩展的方式取决于裂纹尖端附近的应力场.而该应力场由外加应力和残余应力组成,受到引起循环塑性区的应力强度因子变化幅度△K和产生单调塑性区的最大应力强度因子Kmax的共同影响.因此,驱动裂纹扩展的外部驱动力应该是△K和Kmax.通过比较Vasudevan和Sadananda,Kuiawski、张嘉振等人提出的3种典型的二参数疲劳裂纹扩展模型的特点,提出了一个兼顾内、外应力,适合变幅载荷下疲劳裂纹扩展的新模型.     

包含ΔK和Kmax二参数的疲劳裂纹扩展模型

除了材料自身特性和环境因素外,疲劳裂纹扩展的方式取决于裂纹尖端附近的应力场。而该应力场由外加应力和残余应力组成,受到引起循环塑性区的应力强度因子变化幅度ΔK和产生单调塑性区的最大应力强度因子Kmax的共同影响。因此,驱动裂纹扩展的外部驱动力应该是ΔK和Kmax。通过比较Vasudevan和Sadananda,Kujawski、张嘉振等人提出的3种典型的二参数疲劳裂纹扩展模型的特点,提出了一个兼顾内、外应力,适合变幅载荷下疲劳裂纹扩展的新模型。     

基于近场动力学的裂纹扩展及轨面剥离掉块成因机理

建立了态基近场动力学钢轨表面滚动接触疲劳裂纹扩展模型,研究钢轨疲劳裂纹的扩展以及由此引起的轨面剥离掉块形成过程。结果表明,轨面单裂纹或裂纹间距>1.5 mm情况下,随着通过总重的累积,裂纹扩展的路径逐渐转向钢轨内部,且扩展速率随着通过总重累积和裂纹长度的增加逐渐降低;轨面多裂纹情况下,通过总重增量低于8.8 Mt时,裂纹在荷载作用下主要发生沿长度方向扩展。通过总重增量超过8.8 Mt后,裂纹之间的次生损伤形成;而且,这种情况在轨面多条裂纹间距≤1.5 mm时较为显著,裂纹间距>1.5 mm时,裂纹间的相互影响减小;轨面多条裂纹同时存在且裂纹间距≤1.5 mm时,通过总重增量达到一定程度（>10.0 Mt）,裂纹间的次生损伤形成剥离掉块,剥离掉块深度约为裂纹深度的1/2以上。     

疲劳裂纹扩展的概率分析模型

本文提出了一个新的疲劳纹扩展的概率分析模型，对裂纹扩展速率表达中参数Ｃ和ｍ的概率特性进行理论，上Ｃ和ｍ的相关关系得到该分析模型的一个数学论证，并采用ΔＫ控制的纹扩展实验对模型的正确性和可行性进行了验证，给出了各参数的解析方法和该模型的应用例。?     

近场动力学理论在脆性材料波散射与裂纹扩展问题的数值模拟

近场动力学(Peridynamic,PD)理论是一个物质点具有通用积分运动方程的连续介质理论,其非局部思想能够很好的处理和解决传统连续介质力学在裂纹尖端解的奇异性问题,也弥补了有限元法(FEM)在断裂问题上网格重构的缺陷,在研究材料的断裂与损伤方面有着独特的优势。基于固体力学和断裂力学理论在应力波传播的研究基础上,通过对比传统波动理论和PD理论中P波的传递速度、传递半径及受载出现的波反射和绕射现象,提出近场力波的概念,从本质上分析了近场力波与应力波传递的区别。用PD理论对含预制缺陷的脆性材料(混凝土)动态断裂过程进行数值模拟,通过分析C15混凝土受冲击载荷断裂过程的能量释放速率得出近场力波的传递会对裂纹的萌生和扩展产生影响。     

包含ΔK和Kmax二参数的疲劳裂纹扩展模型

除了材料自身特性和环境因素外,疲劳裂纹扩展的方式取决于裂纹尖端附近的应力场。而该应力场由外加应力和残余应力组成,受到引起循环塑性区的应力强度因子变化幅度ΔK和产生单调塑性区的最大应力强度因子Kmax的共同影响。因此,驱动裂纹扩展的外部驱动力应该是ΔK和Kmax。通过比较Vasudevan和Sadananda,Kujawski、张嘉振等人提出的3种典型的二参数疲劳裂纹扩展模型的特点,提出了一个兼顾内、外应力,适合变幅载荷下疲劳裂纹扩展的新模型。     

冲击疲劳裂纹扩展

本文综合归纳了金属材料的冲击疲劳裂纹扩展研究。讨论了冲击应力行征参量,如应力幅值,加载时间,2次应力峰值和过载,对冲击疲劳裂纹扩展速率的影响;对材料在冲击和非冲击疲劳载荷作用下的裂纹扩展行为进行了比较。结果表明：冲击应力特征参量对冲击疲劳裂纹扩展速率的影响规律与其裂纹尖端的微观变形、断裂机制有关;材料在冲击和非冲击疲劳载荷作用下的裂纹扩展速率存在3种不同的关系,并取决于材料在冲击和非冲击疲劳载何作用下的裂纹扩展机理;应力幅值,应力花样和材料的显微组织对材料的冲击疲劳裂纹扩展的影响大于对非冲击疲劳裂纹扩展的影响,冲击载荷常导致材料脆化并加速材料的疲劳裂纹扩展。     

缺口小裂纹的疲劳扩展速率

将复型技术应用于疲劳小裂纹扩展试验中的裂纹长度测量。在等载荷比R=0.1、不同平均载荷水平影响的疲劳条件下,板试样V型缺口小裂纹疲劳扩展速率做了试验测试;通过结果分析,提出了缺口小裂纹疲劳扩展速率表达式,并以εp为控制参数,求出45~#钢的计算式。     

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     

各种表面裂纹疲劳扩展分析方法的比较

介绍了两类预测表面裂纹疲劳扩展中的形貌变化及其剩余寿命的方法,并进行实验验证。结果表明,“Ｃｙｃｌｅ ｂｙ ｃｙｃｌｅ”方法的估算最为准确,川原正言等的经验方法也具有较好的精度。     

扩展键基近场动力学的几何非线性扩展

扩展键基近场动力学模型解决了经典模型中固定泊松比的限制问题,但是仅限应用于小变形情况下的模拟。提出了一种计算键变形的实现方法,利用有限变形理论中的描述使模型能够处理几何非线性问题。通过最小二乘拟合得到物质点的局部位移场,再对位移函数求导得到局部域的变形梯度张量。固体的旋转与拉伸通过对变形梯度张量的极分解分离,从而将扩展键的变形部分从总体位移中提取。随后,通过对变形系统的各个键力进行积分,从而获得系统大变形的正确预测结果。最后,开展了几个基准测试,与非线性有限元结果进行对比并验证了所提出模型的有效性和精确性。     

疲劳裂纹扩展的非平衡统计模型

为了研究金属中微观结构对疲劳裂纹扩展性能的影响，在建立的宏观与微观相结合的疲劳断裂非平衡统计理论中，考虑了材料微观结构因素， 得到了包括疲劳短裂纹及长裂纹的整个金属疲劳寿命的普话裂纹扩展速度公式，并和他人的理论结果进行了比较。     

铸造奥氏体不锈钢的疲劳裂纹扩展

用紧凑拉伸试样研究了载荷比、单峰过载和两步高-低幅加载对Z3CN20-09M铸造奥氏体不锈钢疲劳裂纹扩展速率的影响。当应力强度因子范围相同时,疲劳裂纹扩展速率随载荷比的增大而增大。单峰过载使裂纹扩展速率先有短暂的增加后长距离的减速扩展,出现裂纹扩展迟滞现象。两步高-低幅加载时,若两步的最大载荷不同,第二步裂纹扩展也会出现迟滞现象。用两参数模型和Wheeler模型能够预测恒幅载荷和变幅载荷下的疲劳裂纹扩展行为。     

焊接接头疲劳裂纹扩展随机模型

用随机过程理论与试验数据相结合的方法建立了焊接接头疲劳裂纹扩展的随机模型,根据随机模型分析了焊接接头疲劳裂纹扩展的统计规律。     

蠕变引起的疲劳裂纹扩展

为了保证火电厂的蒸汽管道、汽轮机转子等零件的安全运行，确定疲劳裂纹的扩展率有重要意义。根据时间相关断裂力学的理论，提供了一种计算蠕变扩展率的方法。介绍了时间相关断裂力学有关的裂纹尖端参数，指出用参数Ｃｔ，ａｖ作为衡量蠕变裂纹扩展的参数是适宜的；讨论了疲劳对蠕变裂纹扩展的影响，指出材料的疲劳屈服极限和抗蠕变能力是决定这种影响大小的主要因素；并给出了蠕变裂纹扩展率的计算公式     

冲击疲劳裂纹扩展

本文综合归纳了金属材料的冲击疲劳裂纹扩展研究。讨论了冲击应力特征参量,如应力幅值,加载时间,２次应力峰值和过载,对冲击疲劳裂纹扩展速率的影响;对材料在冲击和非冲击疲劳载荷作用下的裂纹扩展行为进行了比较。结果表明：冲击应力特征参量对冲击疲劳裂纹扩展速率的影响规律与其裂纹尖端的微观变形、断裂机制有关;材料在冲击和非冲击疲劳载荷作用下的裂纹扩展速率存在３种不同的,并取决于材料在冲击和非冲击疲劳载何作用下     

变幅载荷下的疲劳裂纹扩展

通过１６Ｍｎ钢在高－低，低－高－低和低－高加载情况下，不同超载比时的裂纹扩展了实验研究，获裂纹长度与循环次数，裂纹扩展速率与裂纹长度的相应变化曲线，实验表明，在高－低和低－高－低加载下疲劳裂纹扩展具有迟滞效应，其随超载比增大而增大，文中使用常数的Ｗｉｌｌｅｎｂｏｒｇ模型对具有迟滞效应情况进行了寿命分析，计算表明在大超载比下与实验结果相比明显偏大，上述现象对变幅载荷下有裂纹机械构件的安全寿命预测具有     

Ti（C,N）基金属陶瓷的疲劳裂纹扩展速率

用ＥＨＦ－ＥＡ１０型电液伺服疲劳试验机研究了试样缺口处于拉－拉应力状态条件下，Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷材料疲劳裂纹扩展ｄａ／ｄＮ－△Ｋ曲线；考察了化学成分变化及热处理对疲劳裂纹扩展的影响，观察了疲劳裂纹扩展区的新口形貌，对疲劳裂纹扩展机理进行了讨论。     

中碳钢疲劳短裂纹萌生与扩展特性

试验研究了不同热处理状态的３５＃钢试样表面疲劳短裂萌生与扩展特性。结果表明：微结构尺寸及其分布特性对短裂纹萌生与扩展行为有较大影响；短裂纹萌生与扩展寿命可用Ｗｅｉｂｕｌｌ分布定量描述。