Finite Element Modeling of Crack Tip Blunting for Estimation of Energy Release Rate Component of Mode I Crack near a Strength Mismatched Interface

The paper presents finite element modeling of crack tip blunting for numerical estimation of fracture parameter of a Mode I crack, in weak alloy steel, which is near and normal to the interface of elastically identical but stronger maraging steel. The bimetallic body is subjected to monotonic load in K dominated regime. Crack tip yield zone across the interface, treated as Dugdale’s cohesive zone, is isolated from the bimetallic domain and is modeled alone under the action of respective cohesive stress over yield zones for obtaining the contribution of mismatch between yield strength of the steels in crack energy release rate component, Jinterface. Effect of far field load on Jinterface is found separately from a theoretical model. Numerical and theoretical results of Jinterface are in good agreement.

I型裂纹尖端约束应力区模型及其解析解

考虑了I型裂纹尖端损伤区域内三种不同的约束应力分布形式,即右三角分布形式(情况A)、均匀分布形式(情况B)、左三角分布形式(情况C),并采用复变函数方法求得了应力强度因子与裂纹张开位移的解析解;在此基础上,通过数值计算得到了应力强度因子和裂纹张开位移随约束应力区长度、约束应力大小以及分布形式的变化规律。研究结果表明:随裂尖材料损伤程度的增加,裂尖损伤区内约束应力减小,应力强度因子和裂纹张开位移增大;约束应力的分布形式对应力强度因子和裂纹张开位移有显著影响;相对于其他区域,约束应力对裂纹尖端区域裂纹张开位移的影响较大。然而,对于裂尖损伤区域的形成与作用荷载、材料性质、构件几何尺寸之间的关系,还需要进行更为深入的研究。

蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究黏性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了蠕变材料Ⅰ型动态扩展裂纹的力学模型.首先,依据在稳态蠕变阶段,弹性变形和黏性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,由量级协调可知,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1/(n-1),其次,通过渐近分析推导出动态扩展裂纹尖端场的控制方程并求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解.最后,采用双参数打靶法求得了裂纹尖端应力、应变的数值结果.数值计算表明,裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制;在Ⅰ型动态扩展裂纹前方,环向应变达到最大值,可据此建立断裂准则.由于裂纹稳定扩展与非稳定扩展的主奇异项相同,因此对于稳定扩展裂纹的渐近分析方法,同样适用于非稳定的裂纹扩展问题.

刚性-粘弹性材料界面Ⅰ型动态扩展裂纹的尖端场

裂纹尖端渐近场的研究是断裂力学研究的重要课题之一。为了研究粘性效应作用下的界面动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了刚性.粘弹性材料界面Ⅰ型动态扩展裂纹的力学模型;在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1/(n-1)。当n→∞,幂硬化粘弹性材料动态扩展裂纹尖端场与Freund给出的理想塑性材料动态扩展裂纹尖端场具有相近的奇异量级;结合运动和协调方程,推导出粘弹性材料动态扩展裂尖场的控制方程。根据问题的边界条件和连续条件,通过数值计算,得到了裂纹尖端连续的分离变量形式的应力、应变和位移场。数值计算表明,裂纹尖端场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制,这为解决工程实践中所遇到的相应的问题和建立材料的破坏准则提供理论的参考。

粘弹性材料中动态扩展裂纹尖端场的分析

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了粘弹性材料动态扩展裂纹的力学模型.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1/(n-1).通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近控制方程;采用靶法求得了Ⅰ型Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的应力、应变的数值解.数值计算表明:裂尖场变化主要受材料的蠕变指数和马赫数的控制.通过对裂纹尖端场的渐近分析,为动态扩展裂纹的断裂判据提供参考依据.

GM屈服准则求解Ⅰ型裂尖塑性区

用几何中线(GM)屈服准则求解了Ⅰ型裂尖塑性区的形状与尺寸,对比了基于Mises和Tresca准则的求解结果。表明在平面应变条件下,GM准则求解的塑性区面积在Tresca和Mises结果之间,Tresca塑性区面积最大,Mises面积最小,GM塑性区与Mises塑性区非常接近,三者的塑性区均成哑铃状。在平面应力下,GM和Mises塑性区二者仍最接近并为豆芽状,Tresca的塑性区最大。无论平面应力还是平面应变,GM准则计算结果与Mises结果均有最佳接近度。