冲击荷载下Ⅰ型裂纹与圆孔缺陷相互作用

采用数字激光动态焦散线和超动态应变测试系统,对含圆孔缺陷的有机玻璃板三点弯曲梁进行冲击断裂实验,开展Ⅰ型扩展裂纹与不同直径圆孔缺陷相互作用实验研究。结果表明：冲击载荷下预制裂缝尖端焦散斑不断增大,圆孔缺陷左、右边缘应变片测点表现出竖直受压、水平受拉的应力状态。裂纹起裂后沿直线扩展,主要表现为Ⅰ型断裂。初始裂纹扩展速度和动态应力强度因子大小相似,变化趋势相近,应变片测点水平和竖直方向均表现出拉应力状态。初始裂纹与圆孔缺陷贯通时止裂,贯通瞬间应变片测点的水平和竖直拉应力均达最大值。随着圆孔缺陷直径增大,次生裂纹起裂速度和起裂韧度均变大,起裂难度增高。研究结果为揭示动荷载下含缺陷岩石断裂机理提供借鉴。     

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。     

有/无填充介质对裂纹动态断裂特性影响的实验研究

为了研究有/无填充介质对裂纹动态断裂特性的影响,利用动态焦散线实验方法结合高速相机对含预制缺陷的试件进行了三点弯冲击断裂实验。研究结果表明:冲击载荷作用下运动主裂纹与预制缺陷贯通后,预制裂纹中有/无填充介质影响次生裂纹的起裂位置、数量、起裂模式、起裂所需时间。在预制裂纹中无填充介质的情况下,沿预制裂纹左右两侧对称产生2条次生裂纹,次生裂纹起裂时是Ⅰ+Ⅱ混合模式断裂;在填充环氧树脂介质情况下,沿预制裂纹中心处产生1条次生裂纹,次生裂纹起裂时是Ⅰ型断裂;同时无填充介质试件次生裂纹起裂所需时间大于填充了环氧树脂的试件。     

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。     

含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明:与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明:孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式:孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.     

不同方向冲击加载作用下含裂纹巷道的破坏行为

为了研究来自不同方向的冲击加载作用对含裂纹巷道围岩破坏方式的影响,采用青砂岩作为试验材料,进行相应的模型试验研究。首先,在巷道围岩的圆拱顶处设置单裂纹以模拟围岩内天然的裂纹缺陷;随后,采用冲击试验机进行动态加载试验,通过应变计确定巷道模型内预制裂纹起裂时间及扩展速度,并进行相应的数值模拟分析,得到裂纹的扩展路径规律与巷道围岩的破坏方式;最后,将数值模拟结果与试验结果进行对比分析。研究结果表明:当冲击载荷来源于拱顶时,巷道围岩破坏主要为裂纹起裂、扩展,拱底发生拉伸破坏;当冲击载荷来源于侧帮时,巷道围岩仅在两侧拱肩处发生破坏。巷道围岩内预制裂纹的动态起裂韧度与冲击加载方向偏向角有关。在相同动态载荷作用下,巷道断面拱肩与拱脚压应力较大,容易产生拉伸破坏,动态稳定性较小。     

空孔缺陷与邻近运动裂纹的相互作用初探

运用落锤冲击加载方式,实现对试件的动态加载,研究了空孔缺陷对临近运动裂纹扩展形态的影响,分析了运动裂纹扩展过程中的动态应力强度因子和速度的变化趋势。结果表明:空孔缺陷对临近运动裂纹具有"吸引"效应,并且这种"吸引"效应的强度随着空孔缺陷与邻近运动裂纹距离的增大而减弱。此外,空孔缺陷对临近运动裂纹的扩展具有明显的抑制作用。运动裂纹在空孔缺陷处的再次起裂更为困难,需要更多的时间积蓄能量。实验结果为后续深入研究运动裂纹与材料缺陷的相互作用提供了实验思路。     

部分边界受力情形下带裂纹的椭圆孔口问题的解析研究

引入新的保角映射函数,利用复变方法研究椭圆孔边裂纹仅在孔边受内压而裂纹面自由情形下的复杂缺陷,得到复杂缺陷附近Ⅰ型和Ⅱ型问题断裂判据的精确表达式.由所得结果可以得到圆孔边裂纹仅在孔边受内压裂纹面自由情形下的解析解,也可以退化为椭圆孔和圆孔边单裂纹在孔边及裂纹面上均受内压的结果.     

含双空孔缺陷试件三点弯曲冲击试验

为了研究双孔缺陷对运动裂纹的作用机制,采用数字激光动态焦散线系统对含双空孔缺陷的有机玻璃板三点弯曲梁进行冲击断裂实验,分析研究了双空孔缺陷下裂纹扩展的路径、尖端动态强度因子、扩展速度以及焦散斑的变化规律。结果表明：空孔缺陷会吸引周围运动的裂纹,导致裂纹运动轨迹发生变化;含双空孔缺陷试件起裂难度显著增加,起裂的临界应力强度因子增加了24.29%;运动裂纹在接近双空孔缺陷时,双空孔缺陷对裂纹的扩展有明显的抑制作用,裂纹通过双空孔缺陷中心后,双空孔缺陷对裂纹的扩展有促进作用。     

不同厚度三点弯曲梁的裂纹扩展动态焦散实验

采用动态焦散线实验方法,对冲击作用下不同厚度的三点弯曲梁进行了研究,分析了厚度对其动态断裂过程的影响.结果表明:不同厚度三点弯曲梁在动态冲击实验中,预制裂纹起裂时间和扩展时间受到试件厚度的影响.厚度越大,起裂越慢,扩展时间越长;试件起裂后,不同厚度下裂尖的扩展速度和动态应力强度因子值随时间的变化曲线均呈现先快速上升后波动下降的趋势;裂尖扩展速度和动态应力强度因子的峰值随着厚度的增大呈现先上升后下降的趋势;厚度影响了反射应力波对裂纹扩展的抑制作用.     

用焦散线法研究拱形试件的动态断裂

本文由运动裂纹尖端附近的应力场解,给出了动态焦散线方程和确定裂纹尖端位置、应力强度因子的计算公式.研究带边裂纹拱形三点弯曲试件在枪击动载荷下的动态断裂问题,得到系列动态焦散线照片并给出动态应力强度因子与裂纹扩展速度特性曲线以及裂纹不同扩展速度时的断口形貌特征.     

拉伸圆孔板孔边裂纹应力强度因子解析解

裂纹尖端应力强度因子是判断裂纹扩展和结构失效的重要标准,探究拉伸荷载下圆孔与裂纹相互作用的裂纹尖端应力强度因子对材料断裂准则和残余强度分析具有重要意义。基于叠加原理和弹性力学初始解,采用Westergaard应力函数求得单轴拉伸圆孔板孔边裂纹应力强度因子的积分方程,使用切比雪夫多项式得到积分方程的近似解,运用Exponential函数对近似解修正得到裂纹尖端应力强度因子修正解;运用Abaqus对同一问题进行模拟分析并与修正解结果进行对比;分析了裂纹尺寸、圆孔半径、裂纹位置角以及裂纹倾角对裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明：修正解与Abaqus模拟解基本吻合;应力强度因子随裂纹尺寸和圆孔半径增大而增大,随裂纹位置角和裂纹倾角增大而减小。     

疲劳拉伸载荷作用下的表面裂纹扩展分析

贮箱在长时间工作状态下会衍生出很多疲劳裂纹,这些裂纹的存在不仅影响容器的结构强度与使用寿命,还威胁到工作人员的人身安全,因此开展贮箱材料疲劳裂纹的动态扩展以及寿命机理的分析研究。本文通过Franc3D裂纹分析软件,预制不同长深比的半椭圆裂纹试样,研究裂纹动态应力强度因子在疲劳拉伸载荷作用下的变化规律,同时开展裂纹扩展路径、速率和寿命的探究。结果表明,不同长深比的半椭圆裂纹在扩展过程中尖端动态应力强度因子分布规律基本一致,且近表面处强度因子数值大小最高,仿真结果的裂纹形貌仍为半椭圆形;裂纹刚开始扩展时扩展速率近乎相等,随着载荷循环次数的增加,扩展距离呈指数型增长,近表面处的扩展速率最高,长深比c/a小于等于1的裂纹在近表面的扩展速率基本相同。     

三孔定向爆破作用下的空孔效应实验研究

为得到三孔定向爆破作用下空孔对爆生主裂纹扩展过程的影响规律,采用动态焦散线法进行实验,研究了不含空孔和含空孔情况下爆生裂纹的动态应力强度因子、扩展轨迹及扩展速度的变化规律。研究结果表明:空孔对爆生裂纹扩展轨迹的导向作用十分明显。无空孔时,爆生裂纹的扩展速度震荡幅度较大;有空孔时,爆生裂纹的扩展速度震荡幅度较小。无空孔时,三条爆生裂纹在相互贯通之前,裂尖的动态应力强度因子会突然增大,然后迅速下降;有空孔时,爆生裂纹与空孔贯通前,其动态应力强度因子则稳定在一定范围内震荡。     

天然气管道拘束焊缝复合加载条件下的抗裂性研究

天然气管道在服役过程中,常受到复杂的外部载荷,在金口焊缝处易发生泄露或开裂。针对天然气管道金口焊缝拘束状态,设计了一套自拘束焊接装置,模拟了金口焊缝的拘束状态;并通过复合加载试验及应力应变检测,探讨了全尺寸管道拘束焊缝在复合加载条件下的抗裂敏感性。试验结果表明:拘束焊缝管道无论在内压+静态弯曲复合加载,还是在内压+冲击弯曲复合加载条件下,其抗开裂性均比无拘束焊缝管道差,缺陷开裂敏感性高。含缺陷管道对外部冲击载荷更为敏感,外部动载更易造成含缺陷管道开裂。在复合加载过程中,拘束焊缝管道缺陷尖端的最大应变值小于无拘束焊缝管道缺陷尖端的应变,无拘束焊缝可承受更大的塑性变形。含缺陷管道对弯曲加载速率较为敏感,弯曲加载速率增大,缺陷更易开裂。