管线钢表面裂纹体的三维断裂特性和断裂判据研究

采用中心表面裂纹试样的三点弯曲试验,研究X70管线钢表面裂纹体的断裂特性。结果表明,二维断裂力学参量KⅠ已不能客观描述和表征表面裂纹体断裂现象和裂端应力场强度。采用三维断裂力学参量KZ,能很好描述和表征表面裂纹体的试验现象和裂纹尖端应力场强度,三维断裂韧度KZC与表面裂纹的几何尺寸和裂纹形态无关,是管线钢表面裂纹体的客观韧性指标。建立穿透裂纹和表面裂纹的统一断裂准则,即三维断裂力学准则,KZ=K(F(TZ))～(1/2)≤KZC,将该准则和失效评估图(failure assessment diagram,FAD)技术相结合,可以进行含表面裂纹管道的安全性评定。

横观各向同性材料的三维断裂力学问题

从三维横观各向同性材料弹性力学理论出发,使用Hadamard有限部积分概念,导出了三维状态下单位位移间断(位错)集度的基本解．在此基础上,进一步运用极限理论,将任意载荷作用下,三维无限大横观各向同性材料弹性体中,含有一个位于弹性对称面内的任意形状的片状裂纹问题,归结为求解一组超奇异积分方程的问题．通过二维超奇异积分的主部分析方法,精确地求得了裂纹前沿光滑点附近的应力奇异指数和奇异应力场,从而找到了以裂纹表面位移间断表示的应力强度因子表达式及裂纹局部扩展所提供的能量释放率．作为以上理论的实际应用,最后给出了一个圆形片状裂纹问题的精确解例和一个正方形片状裂纹问题的数值解例．对受轴对称法向均布载荷作用下圆形片状裂纹问题,讨论了超奇异积分方程的精确求解方法,并获得了位移间断和应力强度因子的封闭解,此结果与现有理论解完全一致．

三维断裂理论在管线钢安全评定中的应用

引入三维应力约束Tz理论和等效厚度概念 ,对三维裂纹的应力强度因子和断裂韧性的计算进行了改进 ,并通过含表面裂纹、单边和双边角裂纹的断裂试验验证了三维断裂理论用于油气输送管线钢剩余强度评定的可行性。试验结果表明 ,此管线钢中的裂纹起裂韧性Ki值随裂纹形态和方位的不同有较大差别 ,且都低于穿透裂纹的起裂值。经三维断裂理论分析后发现 ,所有三维裂纹形态的三维起裂韧性Kzimax都与穿透裂纹的三维起裂韧性Kzithrough值很接近。这说明三维起裂韧性Kzi基本与裂纹形态和几何尺寸无关 ,管线钢的断裂韧性得到统一。

基于三维断裂理论的结构损伤分布式在线监测系统

目前飞机等结构的安全主要通过疲劳及损伤容限设计来保证,但设计阶段采用的载荷谱与结构服役期间所承受的实际载荷谱存在差异,设计阶段无法准确预测结构的实际使用寿命。为保障结构服役期间的安全,设计基于三维断裂理论的结构损伤在线监测系统。系统通过传感器实时监测结构关键点处的载荷谱,并基于三维断裂力学理论,计算结构在载荷谱作用下损伤的扩展。系统采用现场总线和以太网两种通信方式,当数据传输量小、实时性要求较高时,可采用现场总线通信,当数据传输量大、实时性要求不高时,可采用以太网通信。针对大型结构需要多点监测的需求,提出基于现场总线和以太网构建分布式监测系统的两种方案。通过对标准试件在常幅载荷作用下疲劳裂纹的扩展进行监测,演示系统的工作原理和技术可行性。

焦散线法在三维断裂问题中的应用

本文将焦散线法推广应用到三维断裂问题。详细地分析了平面应变情况的断裂问题,实验得到的焦散线图象与理论分析的结果一致。用焦散线法测定的张开型应力强度因子与计算结果符合良好。

广义微极近场动力学模型及三维断裂行为模拟

固体断裂破坏是一类非常复杂的现象,一直以来都是工程学科的经典难题。针对准脆性材料的三维断裂问题,提出一种广义微极近场动力学(GMPD)模型。首先,采用Timoshenko梁模拟物质点间的相互作用并建立了相应的控制方程,充分考虑三维条件下键的轴向变形、切向变形和相对转角;其次,引入分别对应键拉伸、剪切和转动刚度的键参数,保证复杂加载条件下近场动力学和传统连续介质力学的能量一致性;同时提出基于能量的新型断裂准则,推导出键轴向变形、切向变形以及相对转角的临界值,可以实现准脆性材料的破坏过程模拟;最后基于所提出的GMPD模型,对轴向压缩条件下准脆性材料的三维断裂过程进行模拟,通过将分析结果与试验结果进行对比,有效验证了本模型的正确性和精度,可以准确描述复杂加载条件下翼型裂纹、反翼型裂纹和次生裂纹等不同类型裂纹的萌生和扩展过程。

压电材料中三维I型断裂力学分析

讨论了不可导通情况下三维横观各向刚性压电材料中受拉伸和电载荷作用的平片裂纹Ⅰ型断裂力学问题．使用自限部分概念，从二维线性压电理论出发，严格得到了一组以裂纹面位移间断和电势间断为未知变量的超奇异积分方程组；应用二维超奇异积分的主部分析法，从理论上分析得到了裂纹前沿应力和电势奇性指数以及应力和电位移奇性场，从而找到了以裂纹面位移间断和电势间断表示的应力和电位移强度因子、能量释放率表达式；为所得到的超奇异积分方程组建立了数值法，并用此计算了若干典型的平片裂纹问题，数值结果令人满意．

构件三维断裂与疲劳力学及其在航空工程中的应用

本文总结评述了断裂力学由二维理论到三维理论的发展历程.介绍了三维裂纹端部场的K-Tz和J-Tz双参数描述、K-T-Tz和J-QT-Tz三参数描述,以及三维弹塑性断裂准则和三维疲劳裂纹闭合模型等.通过具体的实例介绍了三维断裂理论在航空结构损伤容限分析中的应用.正确考虑离面约束和面内约束对裂纹端部场以及材料断裂和疲劳裂纹扩展性能的影响,能够发展航空结构损伤容限可预测设计能力.

混凝土三维复合型断裂准则的研究

本文用杂交有限元法计算了试件的应力强度因子 ,并设计了混凝土试件的三维复合型断裂试验方案 ,断裂试验采用单边和环形裂缝梁型试件和圆柱形试件。对全部试验结果进行整理和分析后 ,用数理统计的多元回归法得到混凝土的三维断裂准则。

三维计算断裂力学

断裂力学理论从1921年Griffith研究玻璃的脆性断裂问题开始,经历了从线弹性体系到弹塑性以及蠕变理论体系、从单参数到多参数体系和从理想的二维平面理论到实际三维含裂纹结构的三维断裂理论的发展历程。针对应力强度因子K和J积分以及C(t)积分的计算方法从理想化模型的理论计算发展到实际复杂工程结构裂纹体计算的各种商业软件平台以及专业的断裂理论分析平台。尤其是随着计算机技术的发展,对三维含裂结构的静态和扩展裂纹的计算模拟已经能够融入计算机辅助设计。结合本研究组近30年来在三维疲劳断裂理论和应用研究方面的体会,简述了三维计算断裂力学从裂纹体应力应变分析和断裂参数计算到三维蠕变断裂和疲劳裂纹扩展模拟的国内外进展,并对涉及的计算方法,包括原子尺度和跨尺度的计算模拟,以及目前面临的挑战性问题作了简要介绍和分析。

含三维内置断裂面新型材料断裂体破裂过程研究

由于不透明的内含裂隙的岩石类材料难以直接观测其破裂过程和开展含三维裂隙试验的复杂性等原因,目前含三维断裂面岩体的破裂研究还处于初期阶段。研制一种完全透明、在较低温度下拉压强度比可达1/6.6的树脂材料,其与岩石特性的相似性比前人有大幅度提高。建立一整套可制作含多断裂面试件的工艺流程和相应的模具及技术,并初步开展含单个和双个内置椭圆形断裂面试件在单轴加载下的试验。研究次生裂纹扩展和试件破裂规律与应力-应变关系。试验结果表明:试件的破裂大致经历4个阶段。含三维断裂体试件的破裂比二维情况复杂得多,产生多种不同形态的新裂纹。

复杂环境下的三维疲劳断裂

以三维弹塑性断裂理论为基础 ,对复杂载荷、复杂环境作用下的金属材料和结构的疲劳、断裂的若干关键问题进行了概要分析。给出了由材料性能试验的标准试样结果预测结构中一般形态缺陷的三维破坏的最新结果 ,获得了对不同载荷条件下腐蚀疲劳裂纹扩展的统一描述 ,介绍了由裂纹扩展基准曲线预测谱载腐蚀疲劳裂纹扩展寿命的最新进展 ,对结构服役寿命

三维广义双剪断裂准则的研究

基于广义双剪应力强度理论 ,创建了一种新的三维复合型断裂准则——广义双剪断裂准则。研究结果表明 ,该准则与一些试验结果吻合很好 ,它不仅可以广泛地用于分析岩土类材料的复合型断裂问题 ,而且也可以用于金属材料的断裂分析。因此 。

三维随机断裂带的航空时域电磁响应数值模拟

传统的均匀分布异常体模型,不能准确描述地下介质的不规则性变化,采用随机介质进行替代,将使电导率这一物性参数更加接近于实际的电导率分布.本文结合地质结构中断裂带特征,采用Von Kármán函数建立三维随机介质模型,通过讨论Hurst指数与自相关长度对三维随机电导率模型建模产生的影响,进行参数优化建立所需的随机介质模型.利用一维傅里叶变换建立三维随机变化的条状断裂带异常体,三维傅里叶变换建立三维随机变化的背景围岩,准确地表征了油气藏断裂带特征.基于时域有限差分方法,实现了磁源激励下的三维随机介质航空时域电磁响应数值模拟.采用均匀半空间模型验证了数值模拟的正确性,分析了随机断裂带与均匀断裂带的电磁响应特征,结果表明随机断裂带可以准确描述地下介质的分布特征,而且与断裂带垂直方向的电磁响应特征清晰地描述了断裂带的倾向、走向与位置,为断裂带结构探测提供了理论依据和技术指导,三维随机断裂带模拟方法同样适用于其它三维随机介质的数值模拟.

继往开来的科技新时代：攻“三维断裂”启“纳米力学”——记南京航空航天大学纳米科学研究所所长郭万林教授

在一个初秋的下午，我们拜访了一位在力学领域做出突出贡献的科学家，一位治学严谨的学者和优秀教师。三十余年的科研历程，是一段艰辛的远足，

腐蚀疲劳断裂面的三维图像分析

计算机图形处理技术已经用于断裂而分析。已经开发了三维断口显微图像分析的通用软件。用这套软件，可以从足够精确的扫描电子显微镜断口分析仪的立体附件上得到三维断裂而的形貌。就计算断裂面高度的算法而言，连续相似测定算法适用于在空气和真空状态下的疲劳断裂面．

航空结构铝合金Ⅰ/Ⅱ复合型断裂的三维弹塑性数值分析

在LC4CS铝合金三维Ⅰ/Ⅱ复合型断裂实验的基础上,对Ⅰ/Ⅱ复合型加载模型进行了细致的三维弹塑性有限元计算,系统分析了不同复合度Φ和厚度B对裂纹端部应力场和起裂角的影响。结果表明,对于不同Φ和B的试样,周向应力极大值和三维离面约束因子极小值出现在相同的角度;根据最大周向应力准则,在Ⅰ型载荷占主导(eβq>65.45°)时,三维有限元计算的裂纹起裂角比采用二维MTS准则预测的起裂角更加接近实验结果。实验中8 mm厚度下的复合型断裂具有比采用现有二维断裂准则的预测值更小的起裂角,说明需要发展更加接近实际情况的新的三维复合型断裂准则。

线粘弹性材料中三维裂纹问题的加料有限元法

将加料有限元法扩展应用于线粘弹性材料三维断裂问题。为了反映裂纹尖端的奇异性,在裂尖附近的奇异区采用若干八节点六面体加料单元和过渡单元,非奇异区采用常规八节点六面体单元。三种单元分区混合使用形成求解域网格划分。基于Boltzmann叠加原理,推导了粘弹性材料的增量型本构关系,进而获得了增量加料有限元列式,并通过附加自由度计算粘弹性介质中裂纹应变能量释放率。数值算例验证了方法的正确性和有效性。

用杂交有限元法计算三维裂纹的应力强度因子

根据放松了连续性要求的修正势能原理及裂纹尖端的应力、位移场，推导了杂交单元的单元刚度矩阵。用杂交元法计算了纯扭转载荷下带有环形裂纹的圆柱体的应力强度因子。计算结果表明，这种计算方法具有较高的精确度。用杂交元法计算了裂面上作用有弯、切、扭载荷试件的应力强度因子，这类试件可用于进行三维断裂准则的实验研究。

考虑纤维取向特征的超高性能混凝土三维细观断裂

钢纤维取向对超高性能混凝土(UHPC)力学性能有显著影响,传统实验方法较难直接控制纤维取向和分布,且缺乏可同时反映UHPC裂缝演化与纤维作用等复杂机理的三维细观模型,造成了定量分析和模拟验证纤维取向影响的困难。为此,首先开展了UHPC直接拉伸实验,采用外置磁场实现纤维定向并利用图像分析获得纤维倾角分布密度,通过数字图像相关技术(DIC)研究了纤维取向对断裂过程、应力-应变曲线的影响。其次建立了可显式考虑纤维取向和分布、不同倾角的纤维拉拔力本构以及基体离散粘性断裂的三维UHPC细观数值模型,并通过开展的直拉实验获得验证。结果表明:建立的细观模型能有效描述UHPC材料复杂的三维断裂过程;UHPC的应变硬化特性、裂缝发展与最终形态、纤维桥连作用等均受到纤维分布和取向等细观因素的影响。