Lowner理论对动态断裂问题的应用初探

对于固体中裂纹扩张的动态过程,如考虑惯性及弹性波的影响,则应力场的求解是一个相当困难的问题,有关研究进展缓慢。本文在不计惯性及弹性波影响的情形下,借助共形映射的Lowner理论,对由边界向内的裂纹扩展过程中应力场的连续变化解,提出一种近似处理的方法。当考虑裂纹扩展速度影响时,在现有的Radok—范天佑方法中也尝试着引入Lowner理论,使该方法得以改进。     

Griffith界面裂纹散射问题的数学建模

建立两相材料Griffith界面裂纹的弹性波散射问题的数学模型,主要考虑SV波及P波斜入射的情况.利用Fourier积分变换法和适当的界面条件将弹性波散射的边界值问题归结为关于裂纹位错密度函数的Cauchy奇异积分方程组,并给出了详细的推导过程.     

弹塑性断裂的内参量热力学分析——Ⅰ.线弹性裂纹体的裂纹扩展

本文在内参量热力学的理论框架内详细讨论了线弹性裂纹体的裂纹扩展问题。对线弹性断裂力学中所涉及到的各种能量关系作了统一的整理,其中包括Irwin的弹性能释放率——裂纹扩展力,Griffith的脆性断裂准则,以及Irwin-Kies的柔度公式和Paris的位移公式。本文以中心裂纹体为例,详细计算了裂纹扩展的稳定性,并区分恒载荷和恒位移两种情况,对材料断裂韧性测试中所遇到的失稳扩展,稳定扩展以及进发现象提供了理论说明。     

弹塑性断裂的内参量热力学分析——Ⅱ.弹塑性裂纹体的裂纹扩展

采用内参量热力学方法讨论弹性—理想塑性体的裂纹扩展,主要在下两方面有更进一步的理论分析。一是对弹塑性断裂力学中的各种能量关系作出了统一的整理,讨论了弹塑性裂纹体的裂纹扩展和塑性变形的驱动力与阻尼力,并给出了相应的过程准则表达式以及能用于弹塑性柔度标定的计算公式。二是以中心裂纹体为例,分析了裂纹扩展的热力学稳定性条件,明确弹塑性裂纹扩展的热力学稳定性的全局性条件是不能满足的,然后转而结合具体的极限势函数方程来讨论恒位移状态下满足稳定性的局域性条件的各有关情况,区分出裂纹失稳扩展—止裂、明显稳定扩展(撕裂)和缓慢稳定扩展三种情况,并举例给出了应变—裂纹长大和应力—应变的计算曲线。     

重载作用下沥青路面结构层应力场分析

造成沥青路面出现破损甚至早期破损的原因不一,传统的沥青路面设计方法对重载交通下的沥青路面力学响应考虑不足,基于这一点本文从理论上对重载作用下沥青路面结构层的应力场进行分析。方法：运用多层弹性体系理论,双圆均布荷载下,考虑车辆轴载的变化,分析半刚性基层沥青路面结构层力学响应的变化规律和影响因素。结果：重载下路面结构层力学响应明显,应力指标变化显著。结论：沥青路面设计过程中应充分考虑重载影响并加以控制。     

等离子喷涂热障涂层拉伸过程中的裂纹扩展有限元模拟

基于等离子喷涂涂层显微组织图片构建有限元模型,准确反映孔洞、裂纹等缺陷在涂层中的实际分布特征。利用LS-DYNA有限元方法计算拉伸过程中涂层内部的应力变化,以最大主应力作为涂层材料的失效判据,模拟裂纹萌生、扩展过程。数值模拟结果表明,喷涂过程中在陶瓷层内形成的横向主裂纹尖端是拉伸过程中裂纹扩展的萌生点,裂纹在扩展过程中与原有缺陷相互作用使得扩展的裂纹发生了分叉以及偏转,真实再现了裂纹扩展引起涂层失效的过程。     

含裂纹工作辊热轧过程有限元分析

利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA的模拟功能,对轧辊的裂纹尖端开裂模式进行了模拟分析。在将裂纹尖端区域细化的基础上,得出含表面裂纹的热轧工作辊两个裂纹尖端的开裂模式是不同的,并且随着轧制深入以及裂纹扩展规律的影响,出现了裂纹尖端局部塑性区以及材料局部的卸载情况,使应力强度因子K以及J积分之间不再满足在线弹性过程中的换算关系形式。     

含异型双夹杂三点弯曲梁动态断裂行为的实验研究（英文）

利用数字式高速摄影与透射式动态焦散线光学技术相结合的方法,对含异型双夹杂三点弯曲梁在冲击载荷作用下的动态断裂力学行为进行了研究.实验研究结果表明:裂纹扩展过程中,裂纹扩展速度v经历了波动性增大再减小的过程;在裂纹扩展至夹杂中间区域过程中,圆形双夹杂对裂纹的阻裂作用最强,三角形双夹杂和正方形双夹杂的阻裂作用较弱;裂纹在距离夹杂较远处向夹杂扩展过程中,裂尖应力强度因子波动性增加;当裂尖靠近夹杂时,其裂尖应力强度因子达到最大值.当裂纹扩展超出夹杂所对应中间区域,裂尖应力强度因子出现波动性降低趋势.研究成果为含异型夹杂结构的强度评估及断裂分析提供实验依据及科学基础.     

一般载荷下裂纹尖端附近K的一种解法

采用保角变换 ,给出了线弹性状态下裂纹体承受对称和不对称集中载荷以及对称均匀分布载荷时裂纹尖端附近应力场强度因子K的表达式     

多向预压应力下玻璃切割模型及有限元仿真研究

以脆性材料断裂的微裂纹理论和压痕断裂力学为基础,建立了多向预压应力下玻璃切割力学模型,并进行了有限元分析。仿真模拟了多向预压应力下玻璃切割加工过程,分析切割过程中预压应力对裂纹动态扩展与刀轮受力的影响,合理施加多向预压应力,可以有效降低横向裂纹的扩展,增加纵向裂纹的深度,从而提高玻璃切割边部质量和效率。     

单轴压缩下含闭合裂纹大理岩板裂纹扩展的研究

在RMT-B型岩石力学试验机上,对预置倾斜单裂纹的大理岩板试样进行单轴压缩试验,分析了预置裂纹在荷载作用下闭合面摩擦系数及裂纹倾角对裂纹扩展的影响。试验结果表明,当设定摩擦系数后,预置裂纹倾角大于45°时,同样应力水平下裂纹面上有效剪力Q明显趋大;在达到相同有效剪力水平下,预置裂纹倾角大于45°时,所需应力水平值变小,此时预置裂纹倾角为开始裂纹扩展的最不利方向。分析表明,大理岩板中最不利裂纹方位角介于45°~67.5°。该大理岩板材中预置裂纹倾角为60°时,更容易发生裂纹扩展。此外,大理岩板承受单轴压缩时,裂纹扩展与裂纹倾角方向还和裂纹面上摩擦系数相关。裂纹扩展由裂纹面上有效剪力引起,其断裂过程为I-II复合型。     

双相材料平面的弹性力学基本解

采用Ａｉｒｙ应用函数法,对双相材料平面的弹性力学基本解进行了系统分析,获得了单位集中力作用下平面内任一点用显式表达的应力场和位移场．这一解答可方便地应用于双相材料的边界单元法的研究,也为我们使用与研究均质弹性平面内裂纹问题以及无限半平面的裂纹问题相同的方法研究双相材料平面裂纹问题奠定了基础     

减速器齿轮轴断裂失效分析

运输带转向减速器在运行过程中,其齿轮轴发生断裂,通过成分分析、力学性能检测、宏观及微观金相观察、扫描电镜分析等手段,分析了该减速器齿轮轴断裂失效的原因。结果表明：齿轮轴断裂形式为旋转疲劳断裂,齿轮轴与电机链接的R角位置存在应力集中,运行时引起了疲劳裂纹的萌生及扩展,最终造成齿轮轴的断裂。提出了改进建议：运用超声冲击表面强化技术,对齿轮轴R角部位进行超声冲击,形成预制压应力场,减缓疲劳裂纹萌生,延长使用寿命。     

特征构件疲劳裂纹扩展试验研究

由于高强度钢在疲劳断裂过程中很难产生辉纹,给裂纹扩展的研究带来一定的困难。本文在对接焊平板的疲劳断裂试验中,采用降载勾线法制造出"海滩状花纹",借此对裂纹扩展过程中裂纹前缘形状和裂纹扩展速率进行分析,并与Newman-Raju公式的计算结果进行比较。     

基体裂纹-异型夹杂相互作用动态焦散线实验研究（英文）

将动态焦散线方法与高速摄影技术相结合,研究了低速冲击载荷作用下3种异型夹杂(方形夹杂、圆形夹杂和三角形夹杂)与基体裂纹的相互作用.通过记录不同夹杂情况下裂纹尖端自起裂到贯穿的动态焦散斑图,分析了Ⅰ型裂纹的动态应力强度因子KdΙ和裂纹扩展速率v与时间的关系.实验结果表明:不同形状的夹杂会对裂纹尖端产生不同的阻裂效果,其中方形夹杂阻裂效果最明显;裂纹尖端焦散斑的畸变程度受到试件中夹杂形状的影响,圆形和方形夹杂对裂尖焦散斑畸变影响程度较大;三角形夹杂试件在裂纹扩展过程中裂尖动态应力强度因子值普遍高于圆形与方形夹杂试件,3组试件在断裂过程中裂尖由于受到反射波的扰动,其扩展速度、特征尺寸和动态应力强度因子值均呈现一定的波动性.研究结果为含异型夹杂构件的强度设计及抗冲击性能评估提供了依据.     

三通管焊接裂纹周围各场的数值模拟

由于裂纹尖端的奇异性,应用解析法求解复杂裂纹周边的位移场和应变应力场几乎不可行,然而可以采用数值法,借助ANSYS软件,对裂纹前缘、边缘的位移场和应变应力场进行模拟,模拟结果与断裂力学理论分析几乎一致.     

离散元法模拟研究加载路径对预制裂缝岩石试样裂纹扩展特性的影响（英文）

目的：结构面是岩体的重要组成部分,其对岩体工程结构的变形和失稳有着重要的影响。本文旨在探究加载路径和围压对预制裂缝试样裂纹扩展和强度的影响,揭示不同加载路径下含预制裂缝岩石试样的微观破坏机理。创新点：1.设计可以模拟各种工程场景（如隧道、边坡开挖）下应力状态变化的加载路径,包括轴向加载试验、围压卸载试验和围压卸载伴随的轴向加载试验;2.研究试样裂纹扩展路径及其与加载路径和围压的关系;3.通过对局部应力集中和裂纹类型的分析,探讨影响断裂过程的微观机制。方法：1.基于试验数据,开展离散元模拟参数校准,实现对岩石试样宏观力学参数的再现（表3和图4）;2.基于校准获得微观参数,并开展三种加载路径下预制裂缝岩石试样数值模拟试验,获得加载路径与围压对试样裂纹扩展的影响（图5～12）;3.通过分析试样加载过程的应力分布以及微裂纹类型的占比,获得预制裂缝试样裂纹扩展的微观机理（图13～16）。结论：1.预制裂缝岩石试样加载过程中,裂纹扩展路径与轨迹受围压与加载路径的共同作用,围压的增大降低了加载路径对裂纹扩展的影响。2.加载过程中,不同类型裂纹的产生主要与不同局部应力的集中有关;在轴向加载条件下,会出...     

功能梯度材料平面I型裂纹尖端应力场分析

功能梯度材料是一种新型的非均匀材料,因为其材料常数是连续变化的,其力学基本方程和一般的弹性材料不同,断裂问题的求解也比一般弹性材料要复杂的多。结合弹性材料I型裂纹问题的求解,采用指数模型,研究了功能梯度材料平面I型裂纹尖端应力场,首先引入应力函数,将平面I型裂纹问题转化为四阶常系数偏微分方程,然后给出问题的精确解答,讨论了梯度系数和应力强度因子的关系。     

双相材料平面的弹性力学基本解

采用Ａｉｒｙ应用函数法,对双相材料平面的弹性力学基本解进行了系统分析,获得了单位集中力作用下内任一点用显式表达的应力场和位移场,这一解答可方便地应用于双相材料的边界单元法的研究,也为我们使用与研究均质弹性平面内裂纹问题以及无限半平面的裂纹问题相同教研室上材料平面裂纹问题奠定了基础。     

高压水射流冲击下煤体初始失效形式分析

高压水射流冲击下煤体初始失效机理研究有助于评价煤体损伤特征。以九龙矿2^#煤层为研究对象,采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法建立了水射流冲蚀煤体数值模型,结合von Mises理论分析了煤体在高压水射流冲击下内部应力分布及裂纹扩展特征,并基于Python编程图像处理技术量化表征了煤体内裂纹形成规律。研究结果表明：在射流冲击下煤体损伤演化过程分为3个典型区,即破碎区、初始裂纹形成区和裂纹扩展区。当射流接触煤体表面时,在水锤效应影响下煤体主要受剪应力作用形成破碎区;在初始裂纹形成区,煤体受到压剪应力及微小拉应力共同作用,初始裂纹萌生;随着水锤效应的消失,射流冲击引发的应力波导致煤体内部主要承受拉应力作用,形成裂纹扩展区。因此,在实际工程中可以通过实时监测射流冲击下煤体内部应力特征来判断其损伤程度。