含半椭圆形裂纹轴的刚度特性研究

运用断裂力学理论,推导了含半椭圆形裂纹轴的刚度计算公式,研究了在全开的静态下半椭圆形前缘直裂纹和45°斜裂纹深度比、裂纹变形比等参数对轴刚度的影响。计算结果表明:裂纹深度的增大使半椭圆形前缘裂纹轴的刚度变化幅度较大,当裂纹深度较小时,刚度变化缓慢;但当裂纹深度大于轴半径一半时,裂纹轴全部载荷作用的影响都要考虑;随着裂纹变形比增大,半椭圆形前缘裂纹的刚度均减小;半椭圆形前缘裂纹垂直方向的位移随裂纹变形比增大而增大。计算结果与实验共同验证了半椭圆形前缘裂纹轴的动力特性。

不同的裂纹尺寸对椭圆形裂纹应力强度因子影响的研究

针对平板椭圆形裂纹,提出了椭圆裂纹求解应力强度因子的解析解法,该方法是建立在弹性断裂理论及复变函数理论基础上的。文中针对椭圆裂纹,在具有不同的外荷载,以及不同的椭圆裂纹形状情况下,对应力强度因子进行较为全面的仿真分析。得到了应力强度因子和椭圆裂纹长短轴及所处位置,以及外荷载之间的关系变化的曲线。利用所建立的计算模型,可以非常迅速地求得不同几何参数情况下椭圆裂纹在复杂应力场中沿裂纹周边不同位置的应力强度因子。并对三种不同椭圆裂纹形状情况下的应力强度因子进行了分析和比较。

热冲击下含椭圆形裂纹热障涂层热力耦合分析

针对局部受强瞬态热冲击作用下的含椭圆形裂纹的三层热障涂层系统,采用L-S型(Lord和Shulman)广义热弹性理论,建立二维热力耦合方程组及相应边界条件,初始条件和连续性条件。对涂层系统的温度场和应力场数值计算表明:热波到达裂纹时,裂纹尖端附近的温度和应力均产生突变。当裂纹在陶瓷层中或在陶瓷层和氧化层界面时,热波在裂纹面上会产生反射和透射现象;同时压应力突变为拉应力,在陶瓷层和氧化层中产生热失配效应。

一种在役弯头半椭圆形裂纹的断裂评价方法

通过对在役弯头的受力分析,把半椭圆裂纹模型应用于压裂弯头内表面裂纹型缺陷,并导出弯头内部半椭圆裂纹的应力强度因子计算公式。通过弹性断裂准则,可求得裂纹的深度或长度的安全允许值。分析结果表明:当裂纹深度值一定,裂纹长度增加,弯头内表面裂纹应力强度因子增加;且裂纹深度值越大时,裂纹长度增加时,其应力强度因子的增量越大。当裂纹长度值一定,裂纹深度增加时,弯头内表面裂纹应力强度因子增加;且裂纹深度值增量越大,其应力强度因子的增量越大。

深埋椭圆形片状裂纹的偏折扩展

基于无限大弹性基体深埋椭圆形片状裂纹的变形场,推导了椭圆形片状裂纹的能量释放率,采用能量平衡方法建立了椭圆形片状裂纹承受拉应力和剪应力时的复合断裂准则.考虑裂纹在拉-剪应力作用下的偏折扩展,分析了裂纹的偏折方向,提出了椭圆形片状裂纹发生偏折扩展时的初始偏折位置的确定方法.

金属构件内埋藏椭圆形斜裂纹脉冲放电瞬间温度场的分析

采用数值分析的方法,研究了含埋藏椭圆形斜裂纹的金属构件放电瞬间的温度场,建立了带有空间裂纹的三维有限元分析模型。模拟了利用电磁热效应进行裂纹止裂的过程,得到埋藏椭圆形斜裂纹在不同倾斜角度情况下脉冲放电瞬间温度场的分布状态,给出了电流密度矢量图,分析了裂纹面倾斜角度对温度场的影响规律。计算结果表明,当通入的脉冲电流密度一定时,电流方向与裂纹面方向的夹角是影响止裂效果的关键因素。研究中同时采用ZL-2脉冲放电装置,完成了冷作模具钢模具中裂纹的电磁热止裂。

含埋藏椭圆型裂纹的构件脉冲放电瞬间的耦合场分析

采用数值分析的方法,对含三维埋藏椭圆型裂纹的构件放电瞬间的耦合场进行分析。计算脉冲放电瞬间椭圆形裂纹尖端附近的温度场和等效应力场的分布状态;并通过改变模型尺寸的模拟分析影响放电参数的主要因素。计算结果表明,由于电流绕流产生的焦耳热源的作用,裂纹尖端处温度瞬时急剧升高,但沿椭圆形裂纹尖端的温度值并不相同,最大值发生在长轴附近,只要放电电流的强度足够大,可以使椭圆环形裂尖均熔化形成焊口,并围绕环形裂纹尖端附近产生很大的热压应力场,可有效地遏制裂纹的扩展;在相同放电电流强度下,对椭圆裂纹尖端温度影响较大的是裂纹的绝对尺寸和椭圆长短轴的相对尺寸。在研究过程中分成热—电耦合和热—应力耦合两个过程,综合考虑材料非线性、状态变化非线性和几何非线性,结果比较符合实际。

复杂应力下脆性岩石材料的微裂纹损伤特性

基于无限大体深埋平片状椭圆形裂纹的变形场及其扩展条件,分别推导了脆性岩石材料内部具有任意空间取向的单个张开型或闭合型椭圆形微裂纹及其扩展引起的附加柔度张量;考虑微裂纹系统对材料变形的影响,引入了概率密度函数,得到了任意应力状态下脆性岩石材料的宏细观损伤模型;分析了椭圆形微裂纹的短长轴比率对材料损伤的影响。计算结果显示:材料损伤随着短长轴比率的增大而增大,短长轴比率对材料损伤的影响会随着载荷的增大而提高。将本文模型应用于混凝土的单轴拉伸和花岗岩的单轴压缩,结果表明本文模型能够对实验现象给予很好地解释。

反应堆压力容器在严重事故条件下的断裂力学评价

研究了Ansys计算三维热-机加载结构裂纹J积分值的方法,用于评估严重堆芯熔毁事故下反应堆压力容器(RPV)外部裂纹的行为。针对RPV下腔外侧的裂纹,计算裂纹尖端的J积分值,在内压2.5 MPa和冷冲击条件下,研究了其最大应力处的断裂行为。计算了沿RPV外侧半椭圆裂纹前缘的三维混合型J积分分布。沿裂纹前缘采用奇异单元的有限元法进行三维分析,对R_(o)/R_(i)=1.1、深度比a/t=0.01~0.50、椭圆度a/c=0.3~1.5的RPV结构裂纹进行了J积分计算,研究了上述参数对J积分分布的影响。在严重事故条件下,RPV容易沿焊缝产生多条裂纹,导致RPV外表面产生一个或多个裂纹,并在赤道焊缝平面上形成环向裂纹或一系列共面裂纹。结果表明,裂纹密率δ、深度比a/t、椭圆度a/c和内外径比R_(o)/R_(i)对J积分有较大的影响。此外,由于壁厚温度梯度较大,严重事故条件下的断裂行为与均温条件下的断裂行为完全不同。

三轴压缩下岩石／混凝土的三维细观损伤模型

考虑三轴压应力作用下的无限大体深埋椭圆形裂纹的变形场,给出了闭合椭圆形微裂纹的能量释放率.采用能量平衡方法分析了闭合椭圆形微裂纹的扩展条件,得到了代表性体积单元中具有任意空间取向的单个闭合椭圆形微裂纹及其扩展引起的附加柔度张量.分析了闭合椭圆形微裂纹的偏折扩展,得到了微裂纹偏折扩展引起的附加柔度张量.采用Taylor方法考虑微裂纹系统对代表性体积单元变形的影响,引入概率密度函数,得到了三轴压缩下岩石/混凝土的三维细观损伤模型.分析了混凝土的单轴压缩特性,结果表明该模型能够很好地描述实验现象.

三轴压缩下岩石类材料的细观损伤–渗流耦合本构模型

岩石类材料的微缺陷主要有微裂纹和微孔洞,当压力水渗透到微裂纹中时,可在微裂纹上产生附加张开应力。利用叠加原理,对计及微裂纹内水压力的岩石类材料在三轴压缩应力下的响应特性进行分解。考虑无限大体深埋椭圆形裂纹在远场三维压缩应力下的变形、扩展和偏折,得到代表性单元中任意空间取向的单个闭合椭圆形微裂纹及其偏折微裂纹引起的附加柔度张量。假设三轴压缩下,代表性单元渗透特性变化主要取决于偏折微裂纹扩展所引起的法向开度变化,结合达西定律和立方定理,推导出单个偏折微裂纹的附加渗透张量表达式。采用Taylor方法考虑微裂纹系统对代表性单元变形和渗透性影响,利用概率密度函数得到三轴压缩下岩石类材料的三维细观损伤–渗流耦合本构模型。数值计算表明采用本模型的计算结果与试验结果吻合较好。

含埋藏缺陷板的断裂力学分析

采用三维弹塑性有限元法对拉、弯联合加载条件下含偏置埋藏椭圆形裂纹的平板进行了弹塑性断裂分析,并将缺陷小韧带处的J积分值与参考应力法的估算结果进行了比较。研究发现,当使用整体极限载荷时,参考应力法可能低估有限元J积分值。其原因可能是由于参考应力法中的小范围屈服塑性区修正不能正确反映小韧带在较低外载水平下屈服。