绕纤维环形裂纹界面处的应力奇异性

基于弹性力学空间轴对称问题的通解,研究了长纤维增强复合材料中绕纤维且垂直于纤维的环形裂纹位于界面处裂纹尖端的应力奇异性。研究结果表明,应力奇异性特征方程与平面应变状态下相应模型的结果一致,只与Ｄｕｎｄｕｒｓ组合参数有关,材料性能对裂纹尖端附近奇异应力场的影响可用三个组合参数描述。     

功能梯度材料的裂纹分析及有限元计算

非均匀介质力学的早期研究最先始于密度及力学性质随深度变化的弹性波问题.此后,非均匀介质力学的研究便云集了广泛的研究者.本文,分析和计算了功能梯度材料的裂纹尖端场及应力强度因子.比较了均匀材料与非均匀材料裂纹尖端场,指出:材料梯度不影响裂纹尖端的奇异性阶次和角分布函数,但影响应力强度因子(SIF)值.作为断裂力学的重要参数,应力强度因子是材料梯度,外载荷及构件几何形状的函数.文中,假设材料的弹性摸量按具有不同系数的指数变化,使用有限元方法获得了裂纹尖端位移,然后使用外推法得到了功能梯度材料张开型断裂的应力强度因子.     

动裂纹尖端晶体位错的流变力学研究

在本文,我们从流变力学基本原理出发,着重探讨了晶态固体起裂时裂纹尖端附近晶体位错行为。首先,我们指出存在连续分布位错的空间甚至已非Riemann空间,而是具有挠率(torsion)的Cartan空间,该挠率可描述位错密度,从而经典的调和方程不再适用于宏观断裂力学。其次,我们进一步探讨了裂纹尖端附近运动位错引起的应力埸与U(1)群整体规范埸间的关系,它表明裂纹尖端周围的运动位错埸必须满足Dirac量子化条件。     

时间相依性断裂和损伤

本文研究了时间相依性断裂。分析了裂纹尖端损伤分布。从断裂力学和连续介质损伤力学角度出发讨论了蠕变断裂问题以及表征蠕变裂纹生长率参量的适用范围。在一定限定条件下导出了蠕变裂纹生长率的表达式。     

关于裂纹尖端塑性区的实验研究（Ⅰ）

在本文中,我们认为塑料试件在加载后颜色的改变反映了试件内部结构的不可逆变化,通过单向拉伸和尖角与孔洞等的实验观察,我们唯象地证明了塑料试件裂纹尖端的白色区域反映了裂纹尖端塑性区的形状。文中给出了一些实验结果。另一方面,由于塑性变形是内部结构发生了不可逆变化,其必须伴随有热的产生,从而我们可以通过对裂纹尖端温度场的实验研究来研究裂纹尖端塑性区的形状,进而研究裂纹扩展过程中的能量关系。实验结果表明,这些新的实验手段为奠定新的断裂理论和把这些理论应用于工程实际是很有价值的,并还可望在弹塑性理论和温度场计算方面提供新的有价值的实验资料。文中的实验结果并用来验证我们提出的变质量断裂模型。     

论流变断裂学的理论基础Ⅱ——粘弹正交各向异性和裂纹尖端弹粘塑性衰坏区

在本文,假设材料对于因裂纹扩展而发生的应力和应变变化是线粘弹性的。应用Sobotka的二维流变模型,推导出由材料非匀质性引起的具有流变效应的非对称剪切形变本构方程。其次,建立了粘弹性裂纹体裂纹尖端衰坏区弹粘塑性边界值问题的解的变分法。衰坏区的粘塑特性取决于局部粘塑性势,此局部粘塑性势确立了广义塑性应变率与广义应力间的关系。提出了容许应力历史空间内广义应力场的几何结构。这种结构直接包含广义应力历史的极值原理。这里,用广义应力和应变历史列出了边界值问题的公式,并给出解的存在的充要条件。     

粘弹体双梁、双板模型裂纹问题的时间相依能量判据

在前文中,我们曾提出一个求双梁、双板模型裂纹能量释放率的实用理论和简易方法。依照这一理论,求双梁、双板摸型裂纹能量释放率的问题,归结为求裂纹尖端截面处的内力素的问题。在我们最近的工作中,又引入了一个基于粘弹对应性原理来求解粘弹体裂纹问题的方法。在本文中,通过采用另一种形式的粘弹对应性原理,将双梁、双板模型裂纹问题的实用理论推广到了粘弹体的情况,从而得到双梁、双板模型裂纹的时间相依能最判据。对应性原理的这种形式(其中本构方程采用积分方程的形式)的主要优点是它可以大大推广这一有力方法的应用范围。特别是应力与应变初始值不为零的那些情况。本文指出: 1) 能量释放率不仅依赖于现时的载荷值,而且还依赖于载荷达到此值以前的全部加载历史。2) 在常载荷的情况下,能量释放率将随时间而增长,直到它达到某一较高的极限值。这使我们在载荷,裂纹长度、材料的流变常数及断裂韧性为已知的前提下,有可能确定裂纹体的寿命。3) 在常位移的情况下,能量释放率将随时间而减少,直到它达到某一较低的极限值。这也是工程师和设计师们所特别感兴趣的另一个问题。     

钢框架腹板开孔型节点脆性断裂分析

焊缝裂纹是断裂问题分析中一个重要组成部分,其中对带裂纹的新型钢节点分析是近几年的趋势.针对梁腹板开圆孔的节点形式,利用J积分理论,模拟了焊缝裂纹尖端的应力应变场.分析结果表明：裂纹尖端处的J积分在一定范围内与圆孔直径D成正比,与梁弱轴的回转半径成正比,然而与圆孔中心至柱翼缘的距离d无关.此外,方钢柱节点的承载能力和局部稳定性明显优于工字钢柱节点.     

空心圆管中环形片状裂纹对简谐弹性纵波的稳态响应

在弹性波理论中,对弹性波导如板、壳、柱等的研究,一直受到人们的重视.随着断裂力学的发展和应用,含裂纹的弹性波导问题引起了人们的关注.在工程实际中,人们希望得到更多的关于带裂纹的管路中弹性波传播时的某些特性,尤其是远场信息,因为它将直接为探伤技术等应用领域提供理论依据.在前文中我们讨论了其应力场在裂纹尖端附近的力学行为,在此我们将着重分析其位移场在离开裂纹时的远场特性.     

应力腐蚀裂纹扩展的研究

依据非平衡态热力学和非线性断裂力学基本平衡定律,建立了应力腐蚀裂纹扩展的起裂判据、控制方程及失稳条件,研究了介质浓度对应力腐蚀裂纹扩展的影响,并通过慢应变速率实验得到了验证。     

热循环条件下圆柱结构热障涂层系统应力场演变分析

基于弹性热力学,建立了一个四层空心圆柱结构热障涂层系统的应力模型和解析解.在考虑了弹塑性变形和蠕变变形影响的条件下,分析了热循环次数、基底曲率半径和热循环温度对TBCs系统残余应力的影响.随着热循环次数的增加,TBCs系统内不匹配残余应力的差异不断加剧.氧化层内环向应力和轴向应力数值大约为-2.2 GPa,是其他三层相应应力的10倍,具有明显的应力奇异性.该特性必然加剧TBCs的界面裂纹扩展和涂层剥落.基底曲率半径越小,陶瓷表面服役温度越高,越容易造成TBCs系统内应力分布不均匀.     

变质量断裂模型及其实验研究(英文)

从能量方程求得具体的裂纹扩展方程是困难的,因为在一般情况下,我们还不知道断裂过程中各种能量以什么样的比例存在于系统中。鉴于此,我们考虑将动量方程用于裂纹扩展研究。建立一个以动量定律而不是以能量原理为基础的断裂模型。这种模型的建立是基于这样的认识,即裂纹体在断裂过程中,即使其整体动量,动量矩是守恒的情况下,其局部动量、动量矩也是不守恒的。或者说,动量平衡方程是非局部的,通常的局部化假设在裂纹扩展展过程中是不成立的。在此基础上种文中以裂纹尖端局部区域为研究对象,从多方面论证了该区域作用有不平衡力,正是这个不平衡力的大小,方向等的变化控制着裂纹扩展过程,建立了变质量断裂模型。该模型以随裂纹尖端运动的局部区域作为变质量系统,研究该系统质量和作用在该系统上力的变化,以此研究裂纹扩展过程,从而给出了裂纹扩展遵循的一般方程。本文用自行研制的裂纹扩展速度测定仪测得的裂纹扩展速度,在平面应力Ⅰ型裂纹条件下,在一定程度上验证了理论的正确性。     

聚合物裂尖损伤-钝化机制与损伤裂纹模型

依据对聚合物裂纹扩展过程的跟踪观测,描述了聚合物裂尖损伤钝化机制的基本物理特征．在此基础上,推导了裂纹尖端粘塑性区内材料的损伤演化方程,并建立了聚合物的损伤裂纹模型     

论粘弹性裂纹体的时间相依G_i—K_i关系

由于能量释放率不是裂纹体边值问题的直接解答,粘弹裂纹体的能量释放率原则上不能直接应用粘弹对应原理求得。在某些特殊情况(常载荷或常位移)下,这一困难虽然已被巧妙地克服,但仍有必要一般地讨论粘弹裂纹体的G_i—K_i关系。如我们在前文中指出那样,粘弹体的能量释放率等于裂纹闭合能量率。利用线粘弹体裂纹前缘的应力位移埸,通过计算这一裂纹闭合能量率,推导出了粘弹裂纹体的时间相依G_i—K_i关系。主要结论如下: 1) 粘弹裂纹体的G_i—K_i关系是时间相依的。粘弹裂纹体的能量释放率可从对应的弹性裂纹体的能量释放率乘以某时间因子f_(ig)(f)而得到。2) 能量释放率的时间因子等于应力(或应力强度因子)和位移的时间因子的乘积f_(ig)(t)=f_(iσ)(t)f_(iα)(t)。3) 不同流变模型、不同应力状态(平面应力、平面应变、反平面应变)及不同情况(给定载荷、给定位移)的裂纹体的能量释放率是不相同的。4) 采用这里得到的结果,可以很方便地立刻将线弹性断裂力学的某些结果推广到粘弹裂纹体的情形。     

基于GMTS准则的T应力对岩石断裂韧性影响研究

为检验和提高最大周向应力准则对线弹性材料复合型裂纹扩展预测的精确性,考虑T应力在脆性断裂中的作用,建立了广义最大周向应力准则。广义最大周向应力准则描述了变量Ⅰ型和Ⅱ型断裂应力强度因子、断裂韧性K_Ⅰ和K_Ⅱ、平行裂纹的应力分量T应力以及临界裂纹扩展区半径对裂纹断裂强度在应力强度因子空间分布特征的影响。T应力的加入使裂纹尖端应力场解析式对裂纹尖端应力分布的描述更加精确,因而提高了对裂纹扩展特征的预测精度。研究结果表明:T应力对断裂韧度预测结果影响显著,特别是在Ⅱ型断裂占主导地位时,影响更大;随着围压的增大,不同裂纹扩展区半径材料的断裂强度在应力强度因子空间内的分布特征逐渐趋于一致,且Ⅱ型断裂在复合型断裂所占的比例逐渐减小。脆性材料裂纹扩展受到裂纹尖端奇异应力K及常数项T应力的共同控制,考虑裂纹尖端Williams级数解高阶项的影响提高了对裂纹断裂韧度预测的精度。     

界面周期裂纹的SH波散射

研究了分布于两个半空间之间的界面周期裂纹对反平面剪切波的散射问题.应用有限富里叶变换.将一个周期带内的混合边值问题归结为对一具有周期核的第一类奇异积分方程的求解;借助于切比雪夫多项式,给出了积分方程的级数形式解,并得到了在裂纹尖端附近应力强度因子的计算公式.最后,对散射位移场的远场性态进行了分析讨论.     

裂尖塑性流变区的实验研究（Ⅱ）

为了进一步验证我们关于流变断裂学理论的新见解,特别是作者提出的“变质量断裂模型”的正确与否,本文对裂尖塑性流变区的实验研究进行了阶段性的报告。文中提出了“光塑性实验新方法”,在国防科大和兰卅石油机械研究所的支持下,利用现代高科技成果对塑料试件随外载连续而不可逆的色度场进行了数字图象分析和红外扫描研究后,使我们能定量地给出裂尖塑性区随裂纹扩展的变化情况及对应的温度场,应力应变场和热耗散值。文中给出了部分由计算机处理后的彩色图片和计算结果。这些新的方法和实验结果表明我们在这方面的研究走在国内外前列,它不但为断裂力学研究提供了新的方法和手段,而且在弹塑性力学,有限元计算和解决工程实际问题等方面都具有广泛而重要的应用价值。     

论流变断裂学的理论基础Ⅰ——热流变性材料响应和热—力平衡要求

首先,关于流变断裂我们不能不说几句,因为这个课题一般被理解是自相矛盾的。实际上,整六十年前Griffifh的工作标志着断裂力学的开始,他那时就认识到并研究了固体中的破裂和流动现象。可是必须提及,流变力学在六十年前还没有很好发展起来。今天,我们从流变力学知道,由于温度和力场的变化可引起任一材料发生流动。若将(?)定义为质点×存参考构形(?)的实质迷向群,则固体是迷向群为正交群的材料,而流体就是迷向群为全幺模群的材料。整个连续变形形成对称群。破裂时,群的性质改变。换句话说,可以把变到破裂状态看作是一种渐近现象,它给场张量不变量以限制。在这个新的看法中,流动和破裂都是物理量,而任一物理量都有它自身的数学背景。流动的数学背景可视为从一个拓扑空间到另一拓扑空间的映射,而破裂的数学背景则是相应的映射变为奇异的,这是由于破裂时宏观组元破坏,变换模趋于无穷大的缘故。从而,它们是彼此相关的。流变断裂学就是建立存这个数学背景上。我们另一文的结论是,断裂是不受表面能影响的一个纯粹流变过程。可是,把表而能引入断裂过程的连续统力学描述中,才主要地使它从适用于未裂体的力学独立出来。但我们认为,由于这项引入,使得经典连续统力学惯刚的把相应局部平衡方程作为整体平衡描述的直接结论的可能性就丧失掉。它们必须代以作为裂开的附加假设。当把物体的开裂视作为一个非平衡不可逆热力学过程,表面能的整个热力学性质也就清楚了。流变性材料的任何力学过程都要耗散能量。因此,为能正确地描述裂纹扩展,就需要把流变固体从力学上看作是耗能型介质,从而在整体能量平衡规律中必须计及标志流变性材料特性的耗能率。根据扩展裂纹表面的特征,平衡方程是实质率型方程。此外,我们从连续统热力学知道,不可逆过程必然伴有熵产生。在某种情况下,不可逆的裂纹扩展向开裂体提供了熵含量,从而为了正确的看待,应将断裂视作为带有记忆的流变过程。为给流变断裂学以正确的理论基础,对这里提出的不仅涉及热力学第一定律而且涉及第二定律的一些看法,就需要加以解释和数学论证。本文给出流变断裂学的这样理论基础。我们表明,根据热流变性材料响应,只要时间和温度历史间存在一定关系,热流变性记忆材料就可定义为一种粘弹性记忆材料。由于甚至物体的整体状态是一种平面应力状态时,平面应变裂纹增长公式也适用,这仅要求对于是平面应变的裂纹尖端邻域来说,衰坏区足够小。所以,我们应用Graham的广义粘弹对应性原理,从而简化了流变体的断裂问题。     

混凝土裂纹体的裂纹延迟失稳扩展

为对混凝土构筑物的裂纹延迟失稳扩展现象进行严格的理论论证以更深刻地理解它,基于整体能量平衡和裂纹前缘双重衰坏区的概念,建立了裂纹失稳扩展孕育期的理论。将混凝土构筑物视为由一个弹簧和一个Kelvin模型串联而成的三元流变模型表征的标准线性固体,分析了裂纹扩展期间发生的能量耗散和能量释放率G_1。在裂纹失稳扩展的孕育期,外衰坏区的整体特性是初级蠕变的而不是弹性的或瞬时塑性的形变,内衰坏区则随时间而发展二级蠕变。引人C*一积分的定义,并从而推导出用以解释孕育期间裂纹尖端附近整个衰坏区形变特性的特征时间和长度。其次,得到另外一些重要结论如下: 1 为正确对待混凝土构筑物的断裂,应将它看作是一个具有记忆的历史过程、一个具有耗散能的热力学不可逆过程。因此,通常的局部能量平衡方程不再能做为设立的整体能量平衡方程的推论而得到。2 将混凝土视作为标准线性体,其应变能释放率可分成两部分,一部分表明迟滞弹性效应,另一部分表明粘性流效应。所以,裂纹扩展时能量耗散,并且裂纹的形成是不可逆的。3 混凝土裂纹体的G-判据与K-判据间的关系是时间相依的。在恒载条件下,它的能量释放量随时间而增长到一个较高的极限值,从而存在裂纹延迟失稳扩展的临界裂纹尺寸。4 混凝土构筑物的断裂过程中,裂纹失稳扩展前是存在亚临界扩展阶段的,它显现与否取决于所施应力水平。在此阶段,虽然外载保持固定,但裂纹仍随载荷持续时间而缓慢增长,所以裂纹前缘的应力场也是时间的函数。5 在裂纹失稳扩展的孕育期,裂纹尖端的外衰坏区呈初级蠕变变形.而内衰坏区随时间发展着二级蠕变。在长时间后,整个衰坏区的蠕变发展。裂纹尖端应力场可由包括C*的方程(44)给出,而C*与载荷参数有关。6 用以说明裂纹尖端附近整个衰坏区变形特性的特征时间,可从衰坏区蠕变应变集中的“短时间”与整个衰坏区蠕变从初级发展到二级而三级蠕变的“长时间”之间的差推导出。本文研究成果解释了某单支墩大头坝在蓄水8年后原有约3米长的浅裂纹突然失稳扩展成深达50米左右深裂纹的成因。     

某混凝土坝的粘弹性断裂力学分析

应用粘弹性断裂力学理论本文分析了某水电站混凝土大头坝坝墩上游面中心垂直裂纹的延迟失稳问题。采用Rabotnov体作为流变模型计算了裂纹延迟失稳扩展深度。采用裂纹-切口模型及COD判据计算了裂纹扩展速度及寿命与初始裂纹深度之间的关系。文中还分析了该坝墩裂纹自动止裂的原因。