复合型裂纹扩展的主应力因子模型及Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹扩展

以垂直于裂纹扩展径向平面上的主应力σ1及极径r的组合量 2πrσ1作为主应力因子 σ1,提出了主应力因子下的复合型裂纹扩展的断裂准则及静态断裂模型 ,在此基础上 ,推导了考虑裂纹闭合的扩展速率公式 ,进行了Ⅰ Ⅲ复合型裂纹扩展试验 ,并对断口作了扫描电镜观察分析 ,试验表明

数字图像相关法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子

提出了一种通过数字图像相关方法测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端位置和应力强度因子的试验方法。试验通过数字图像相关方法测定裂纹尖端区域位移场数据,将位移场数据带入极坐标系下位移场方程,计算裂纹尖端位置和应力强度因子。试验结果表明:采用该方法可以准确的测定岩石Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹应力强度因子、裂纹尖端位置及裂纹扩展长度,解决了以往研究方法因不能准确测定裂纹尖端位置和扩展方向,而无法准确测定岩石应力强度因子的难题。

基于统一强度理论的复合型裂纹断裂准则

提出一个复合型裂纹等效应力断裂准则 ,用以解决工程上普遍存在的复合型裂纹的断裂问题。该准则通过借鉴强度理论对复杂应力状态的处理方法 ,将等效应力作为度量复合型裂纹开裂的基本物理量。该准则在预测发生临界扩展时提出两个基本假设 ,( 1)裂纹沿着等效应力最小的方向开始扩展。 ( 2 )等效应力达到临界值时裂纹开始扩展。根据选取的等效应力计算公式的不同 ,等效应力准则有不同的形式 ,当等效应力的计算采用总应变能理论时 ,等效应力准则等价于应变能密度准则 ;当等效应力采用σr 时 ,等效应力准则可近似逼近最大周向应力理论。采用统一强度理论计算等效应力。最后通过与实验结果及其他理论的计算结果对比 ,验证基于统一强度理论的复合型裂纹断裂准则满足工程精度要求 。

脆性材料复合型裂纹的断裂准则

实际工程中,脆性材料中的裂纹多处于复合型受力状态,因此,确定脆性材料中的复合型裂纹起裂角和临界荷载有着重要的理论意义和实用价值。以复合型裂纹为研究对象,将裂纹尖端的最小无量纲塑性区尺度ρmin和广义合成偏应力强度理论相结合,建立脆性材料复合型裂纹的断裂准则,预测裂纹起裂角及临界荷载,将其结果与最大周向应力准则和应变能密度因子准则相比较发现,基于该文方法得到的临界荷载曲线大于最大周向应力准则得到的临界荷载曲线,与应变能密度因子准则得到的临界荷载曲线比较接近。因而,表明了用该文的方法来预测脆性材料复合型裂纹起裂角和临界荷载是行之有效的。

基于扩展有限元法的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展研究

基于扩展有限元法(XFEM)研究了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展问题.对于裂纹面间的力学行为,用内聚力模型(CZM)进行了描述.推导了引入内聚力模型后扩展有限元法的单元刚度矩阵,研究了加载方向对紧凑拉剪试件复合型裂纹扩展的影响.研究结果表明:加载方向对裂纹起裂角影响较大,试件的最大承载力随着加载角度的增大近似线性增加;同时,在不同加载角度下数值模拟得到的裂纹起裂角和力-开口位移曲线与实验结果相吻合.

混凝土复合型裂纹等ε_θ线形状应变能准则

利用混凝土裂纹尖端附近等εθ线,建立了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹断裂等εθ线形状应变能准则,并与其他理论预测值以及试验数据进行对比分析.结果表明:该准则的预测结果与试验数据基本吻合.

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹脆性断裂的最小J_2准则

实际工程的结构中,裂纹多处于复合型状态,因此复合型裂纹断裂的理论研究有着更为重要的理论意义和实用价值。本文以Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹为研究对象,将偏应力张量的第二不变量2J作为判定依据,预测了裂纹起裂的角度以及开裂荷载,并与一些实验数据进行了比较,符合得也较好。计算结果进一步表明了在裂纹起裂引起的应变能转化过程中,起主要作用的是形状改变比能这一事实,由此得出了另一个结论是在裂纹尖端,平行于裂纹方向的应力级数展开式中非奇异项对裂纹的开裂角度以及开裂荷载是有影响的。

岩体复合型裂纹的扩展规律 Ⅰ.无水作用条件下

基于最大周向正应力理论 ,研究并给出了无水作用的复合型裂纹在不同应力状态下扩展的临界应力强度因子和扩展方向角。结果表明 ,①Ⅰ型裂纹将沿裂纹面延伸方向扩展而无分支裂纹 ,Ⅱ型裂纹沿与原裂纹面成 70 5°延伸方向扩展 ;②单轴拉伸应力状态下裂纹面有逐渐向垂直于荷载方向上扩展 ,而单轴压缩应力状态下裂纹面有逐渐平行于荷载方向上扩展 ;③双轴应力状态下 ,裂纹扩展方向不仅取决于原裂纹的倾角 ,而且与所受应力状态及σ3 σ1 有关。

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等σ_θε_θ线体积应变能断裂准则

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展问题是工程断裂问题中常见的问题,也是断裂力学研究中重要的问题之一。基于复合型裂纹尖端附近等σθεθ线包围区内的体积应变能变化,建立了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等σθεθ线体积应变能断裂准则,提出了裂纹开裂角公式和断裂扩展条件。应用该断裂准则分别研究了纯Ⅰ型、纯Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的开裂角及断裂韧度比随着泊松比的变化规律。此外,给出了复合型裂纹荷载临界比值随裂纹初始角β的变化规律。最后将研究结果与理论预测值和实测值进行了对比,对比结果表明提出的复合型断裂准则物理意义明确,且具有较好的精度。

复合型裂纹扩展的最大塑性区尺度准则

为了预测复合型裂纹呈滑移型(Ⅱ型)的断裂,在此提出了复合型裂纹扩展的最大塑性区尺寸断裂判据。该准则成功地预测了金属材料复合型裂纹呈滑移型(Ⅱ型)断裂的裂纹开裂角和临界荷载,同时认为金属材料裂纹扩展的动力来源于形状改变比能的释放,与体积应变能无关。将其结果与最大剪应力准则相比,取得了较为一致的结果。因此,结果表明:该准则在预测复合型裂纹呈Ⅱ型断裂上是成功的。

复合型裂纹的裂纹面扭转角

针对含有Ⅲ型裂纹的复合型裂纹扩展后,裂纹面发生扭转,提出垂直于裂纹扩展方向平面上的最大周向应变控制裂纹面的扭转。并推导了各种复合型裂纹面扭转角公式,Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹扩展速率试验表明:裂纹面扭转角的试验值与静载失稳条件下的理论值符合得较好。

沥青混凝土复合型裂纹扩展行为数值模拟

应用线弹性断裂力学有限元程序,对一系列沥青混凝土偏直裂纹的扩展路径依据标准的三点弯曲梁试件解析。结果表明,随着预制裂纹偏离梁中线距离的增加,裂纹的起裂角和峰值荷载都增大。当集中荷载一定时,预制裂纹越长,应力强度因子越大;当预制裂纹长度与梁高比率a/W为0.4时,裂纹起裂角最大。I型应力强度因子和裂纹起裂角与比率a/W之间可分别用三次多项式很好地拟合。裂纹扩展路径总体上遵循一定的规律。试验结果表明,由于沥青混凝土材料颗粒的不均匀性,裂纹扩展路径通常沿着集料颗粒边界扩展而很少切断颗粒。虽然裂纹尖端处于I-II复合型应力状态下,但拉应力仍然是裂纹扩展的主要驱动力。

基于裂尖塑性区的复合材料复合型裂纹断裂准则

基于Tsai-Hill强度理论,在平面应力条件下,推导了复合材料Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹塑性区尺寸表达式,分析了裂纹扩展方向与裂纹尖端塑性区的关系,推广并证明了R准则在复合材料裂纹扩展方向预测中的适用性。数值算例分析了不同纤维方向和裂纹倾斜角对复合材料复合型裂纹开裂角的影响。结果表明,R准则是一个通用的断裂准则,适用于预测各向同性材料和复合材料各种裂纹的扩展方向;纤维方向和裂纹倾斜角对断裂角的影响较明显,可能是导致复合材料复杂断裂机理的原因之一。

复合型裂纹起裂角厚度效应的实验研究

完成了飞机结构铝合金LC4CS的2、4、8和14mm四种不同厚度试样在I+II复合加载条件下的复合型断裂实验,系统分析了厚度和复合载荷对裂纹起裂角的影响,揭示了常用复合型断裂准则的厚度适用范围,用三维断裂理论对结果进行了讨论。结果表明:复合型裂纹起裂角具有明显的厚度效应;最大周向应力准则能够准确预测薄试样和厚试样(厚度为2 mm 和14 mm)在各种复合加载条件下的起裂方向,但是不适用于中间厚度的试样,尤其是8 mm厚度的情况。最大三轴应力准则试图考虑裂纹尖端三维约束对裂纹起裂的影响,但是结果并不理想。最小应变能密度因子理论的预测结果与最大周向应力准则的预测结果非常接近,但同样不能预测8mm厚度试样的起裂方向。非常有必要建立一个普遍适用的三维复合型断裂准则。

复合型裂纹脆断主应变因子准则

提出了一种复合型裂纹脆断的主应变因子准则 .该准则为 :1 )定义垂直于裂纹扩展径向平面上的主应变ε1及极径 r的组合量 2πrε1为主应变因子ε1,裂纹将沿主应变因子取得最大值的径向扩展 ;2 )垂直于裂纹扩展径向平面上的主应变因子的方向与原裂纹面法线方向的夹角为扩展裂纹面的扭转角 ,当主应变因子达到临界值时裂纹将失稳扩展 .由此导出了裂纹的开裂方向和裂纹面扭转角及断裂方程 . - 复合型裂纹断裂试验表明 :主应变因子准则与试验结果基本相符 ,利用其进行断裂评定较安全 .

复合型裂纹扩展的形状改变比能准则

为了预测金属材料裂纹在小范围屈服时的延性断裂,以复合型裂纹为研究对象,将裂纹前缘塑性屈服区内的总形状改变比能用于建立复合型裂纹的断裂准则。该准则表明了金属材料裂纹在扩展过程中,起决定作用的是形状改变比能,而不是整个应变能。能成功地预测了复合型裂纹的启裂角度以及临界荷载,将其结果与Sih的S准则和实验数据结果进行了比较。结果表明,复合型裂纹扩展的形状改变比能准则,在预测裂纹启裂角方面优于S准则,并且预测的临界荷载偏保守。在工程上,将其应用于复合型裂纹断裂判定是安全的。

空间复合型裂纹的性能参数

为了进行空间复合型裂纹的应力强度因子K与应变能释放率G的关系研究,应用断裂力学理论,基于最大主应变准则对Ⅰ型裂纹、Ⅲ型裂纹以及空间复合型裂纹的扩展进行理论分析,应用主应变下的空间复合型裂纹开裂断裂准则推导出Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹K与G的关系式,并利用有限元软件ANSYS对关系式进行验证。结果表明,该关系式计算结果与有限元软件的计算结果吻合较好,相对误差在允许范围内。

应力复合型裂纹焊接接头裂端场及其断裂参量分析

针对含Ⅰ+Ⅱ应力复合型裂纹的焊接接头,应用弹塑性有限元方法分析了其裂端应力场的分布规律。并对不同组配焊接接头的裂纹张开位移(COD)断裂参量及其复合角进行了数值计算,讨论了加载角度和接头强度组配对焊接接头中应力复合型裂纹的断裂行为及其断裂参量的影响机制。研究结果表明,无论何种强度组配,焊接接头裂纹尖端应力场的分布是不对称的。裂端上部发生锐化现象,而裂端下部发生钝化现象。断裂参量COD值的大小受接头组配的影响,因此,不能简单地采用全母材的性能代替接头进行焊接接头的断裂分析。加载角度对焊接接头中复合型裂纹Ⅰ、Ⅱ型主导性存在很大的影响,而接头强度组配对其影响不明显;而裂纹复合角则会受到加载角度及材料组配因素的影响。因此,在进行含应力复合型裂纹的焊接接头的COD断裂参量的计算时,必须考虑这些因素的综合影响作用。

Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹疲劳扩展门槛值

以垂直于裂纹扩展径向平面上的主应力σ1 及极径r的组合量 2πr·σ1 为主应力强度因子 σ1 ,提出主应力强度因子下的复合型裂纹初始扩展准则及扩展的静态断裂模型 ,在此基础上推导复合型裂纹的门槛值方程和裂纹面扭转角公式及裂纹扩展速率公式 ,定义复合型裂纹的理论门槛值 ,进行Ⅰ Ⅲ复合型裂纹扩展试验。试验表明 。

复合型裂纹系统能量变化的仿真分析及同Ⅰ型裂纹系统能量的比较

针对工程实际上更为常见的复合型裂纹,建立基于弹性断裂理论和复变函数理论的能量计算模型。研究裂纹扩展过程中,系统能量在各种相关因素影响下的变化规律。以I、II型复合裂纹为例,采用能量释放率理论对外荷载、裂纹所处角度及裂纹的几何尺寸等因素对系统能量的影响进行全面的仿真计算。同时,基于复合裂纹与I型裂纹在裂纹转动角度上的不同,对复合型裂纹和I型裂纹系统能量的变化进行比较。结果表明:系统能量随着外荷载和裂纹所处角度的增加而增大;随着裂纹长度增大而减小。当外荷载、裂纹长度为零时,系统能量也为零。当裂纹由I型裂纹产生一个转动角度时,系统能量是增加的。在同样的荷载条件、边界条件进行分析,具有转动角的复合型裂纹能量较I型裂纹的系统能量大。