反平面动态扩展裂纹问题的研究

应用复变函数论 ,对反平面动态扩展裂纹问题进行了研究。通过自相似函数的方法可以获得若干问题的解析解。应用该法可以迅速地将所论问题转化为Riemann Hilbert问题 ,并可以相当简单地得到问题的闭合解。通过叠加原理利用这些解 ,就可以求得任意复杂问题的解。

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.

粘弹性材料Ⅲ型动态扩展裂纹尖端场

建立了粘弹性材料Ⅲ型动态扩展裂纹的力学模型 ,求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解 .当粘性幂指数n≤ 3时 ,(σ ,ε) ∝r-1/2 ;当n >3时 ,(σ ,ε) ∝r-1/(n-1) ;当n→∞时 ,应力、应变场的奇异性消失 .裂尖场主要受粘性幂指数n和马赫数M控制 ,当M→ 0时 。

弹粘塑性材料中Ⅲ型动态扩展裂纹尖端场的构造研究

采用弹粘塑性力学模型,对弹粘塑性材料中Ⅲ型动态扩展裂纹尖端场进行了渐近分析.在线性硬化条件下,裂纹尖端的应力和应变场具有相同的幂奇异性,奇异性指数由材料的粘性系数唯一确定.数值计算结果表明,运动参量裂纹扩展速度本身对裂尖场的分区构造影响很小.材料的硬化系数主导裂尖场的分区构造,但二次塑性区对裂尖场的影响较小.材料的粘性主导裂纹尖端应力和应变场的强度,同时对裂尖场的构造有一定影响.当裂纹扩展速度为0时,动态解退化为相应的准静态解;当硬化系数为0时,线性硬化解还原为相应的理想塑性解.

粘塑性材料中反平面Ⅲ型动态扩展裂纹尖端的渐近场

采用弹性—粘塑性模型对粘塑性材料中反平面Ⅲ型动态扩展裂纹尖端的应力、应变场进行了渐近分析。假定应力具有 r^(-δ)幂函数奇异性时,得到了裂纹尖端应力、应变场的渐近方程。通过数值计算得到了各种 M^2和δ情况下裂纹尖端的应力场 T_θ(θ)和 T_r(θ)的角分布曲线。

初始裂纹倾角对圆柱滚子轴承次表面裂纹扩展的影响

为探究次表面裂纹倾斜角度对圆柱滚子轴承应力分布及裂纹扩展的影响,文章基于断裂力学、损伤力学等理论基础,应用扩展有限元法建立圆柱滚子轴承的有限元模型,模拟滚道次表面不同倾角的初始裂纹在外力载荷下的动态扩展过程,分析讨论次表面裂纹尖端的应力随裂纹倾角的变化情况以及裂纹尖端的应力对裂纹扩展的影响。模拟结果表明:在圆柱滚子压力载荷作用下,初始倾角在0°~30.0°范围内的次表面裂纹扩展主要受水平方向应力S 11的影响,次表面水平裂纹两端处的扩展同步对称进行;随着初始次表面裂纹逆时针旋转后倾角的增加,裂纹扩展速率增大,裂纹左端扩展长度增长,且增幅均由快到慢并趋于稳定状态,裂纹左端扩展角度增大,裂纹右端的扩展受到抑制。次表面裂纹的扩展速率、扩展长度、扩展角度比较结果表明,水平或较小角度的次表面裂纹扩展对损伤轴承寿命的影响较小。

爆炸载荷作用下刻槽炮孔动态裂纹扩展规律

基于准静态爆生气体膨胀和岩石断裂力学理论 ,建立了不耦合装药刻槽爆破时的脆性断裂爆破模型 .对刻槽炮孔内爆生气体压力、临界压力和应力强度因子进行了分析计算 ,从而得出了刻槽炮孔裂缝在扩展过程中 ,包括启裂、止裂条件、启裂方向、扩展长度和裂缝扩展速度等的变化规律 .此外 ,论文还对刻槽爆破时的动态效应进行了初步探讨 ,根据分析结果在大理石切割爆破中进行了刻槽试验 ,并和普通光面爆破效果进行了比较 .

基于XFEM的平板斜裂纹动态扩展数值模拟

基于扩展有限单元法(XFEM),采用有限元软件ABAQUS研究了含斜裂纹矩形板的动态裂纹扩展过程,并讨论了裂纹初始角度、裂纹长度和冲击载荷形式等影响参数对裂纹扩展路径的影响.数值计算结果表明,拉伸冲击载荷下平板斜裂纹基本是按Ⅰ型裂纹形式沿直线扩展,改变裂纹初始角度、裂纹长度和冲击载荷形式不会对裂纹扩展路径产生显著影响,但是对裂纹扩展速度会有明显影响.

基于XFEM的加筋板动态裂纹扩展研究

基于扩展有限单元法(XFEM),采用有限元软件ABAQUS,结合最大主应力准则及损伤型的本构关系,对含裂纹加筋板结构的动态裂纹扩展过程展开了系列数值模拟研究,并分析了网格尺寸、加强筋高度,以及裂纹长度对裂纹扩展过程的影响.计算结果表明,冲击拉伸载荷作用下,裂纹在加强筋和板中交替扩展;网格尺寸对计算结果精度的影响明显;增加加强筋高度、减小裂纹长度可以延迟裂纹开始扩展的时间,并且对于减小裂纹在板中的扩展长度十分有利.

模拟脆性材料动态裂纹扩展的非连续变形分析方法

非连续变形分析方法(DDA)属于隐式离散元法,通过引入虚拟节理可以模拟材料从连续到破坏全过程。尝试将DDA方法应用于脆性材料动态裂纹扩展问题。采用基于Voronoi多边形离散的DDA方法进行模拟。由于Voronoi多边形会存在较多短边,采用原始DDA程序计算时短边会优先发生破坏。针对该问题通过引入均布弹簧算法,在一定程度上减轻了过多短边发生破坏的问题。其次,为了能够定量分析动态裂纹扩展,提出了一套参数标定方案。该方案通过单轴压缩试验进行弹性参数标定,通过带切槽半圆盘试验进行强度参数标定。利用标定后的参数模拟的带切槽半圆盘,裂纹扩展路径与试验结果高度一致。最后,基于标定的参数,模拟了几类典型脆性材料的动态裂纹扩展问题,包括自相似裂纹扩展、裂纹分叉和紧凑拉伸试验。模拟结果表明,DDA方法能够较好地再现自相似裂纹扩展时裂纹扩展速度保持不变的规律,可以真实地模拟出脆性材料的裂纹分叉现象,并成功模拟了不同加载速度下紧凑拉伸试验中不同的破坏模式。这些算例验证了DDA方法在模拟脆性材料动态裂纹扩展问题的可行性,为后续相关应用打下了基础。

X80管线钢管动态裂纹扩展速度计算

X80天然气管线中的延性断裂止裂是当前世界范围内研究的热点和难点问题。运用BTC,RBTC以及HLP模型对X80管线中的动态裂纹扩展速度进行了计算。通过与试验结果进行对比分析发现,RBTC模型计算的动态裂纹扩展速度与试验结果最为符合,HLP模型其次,BTC模型最差。这可归因于RBTC模型中嵌入了更为合理的止裂压力计算结果以及更为准确的通过回归计算得到的常数项。

基于圆弧底试件的动态裂纹扩展及止裂规律研究

为了研究脆性材料的动态裂纹扩展及止裂规律,设计了一种带圆弧形底边的梯形开口边裂纹(trapezoidal opening crack with arc bottom,TOCAB)构型的试件。在落锤冲击设备加载下,对圆心角为0°、60°、90°和120°的TOCAB试件进行了冲击实验,并采用裂纹扩展计(crack propagation gauge,CPG)监测裂纹起裂和扩展时间,从而获得裂纹扩展速度。采用有限差分软件AUTODYN对落锤冲击设备和试件进行数值模拟,研究了裂纹的动态扩展过程及止裂规律。还基于实验和数值方法,计算了裂纹的临界动态应力强度因子。实验和数值结果均表明:3种弧度的TOCAB试件都可以实现运动裂纹止裂,该构型可用于研究动态裂纹止裂问题;数值计算的裂纹扩展路径与实验结果基本一致,验证了数值模型的有效性;裂纹起裂和止裂时刻的临界动态应力强度因子大于裂纹动态扩展过程中的临界动态应力强度因子。

SHPB杆加载动态裂纹扩展速度测试方法研究

利用改进的SHPB(SpiteHopkinsonPressureBar)压杆实验装置 ,建立了应力波加载条件下动态裂纹扩展速度的测定方法 ,并对 18Cr2Ni4WA钢进行了实验测定 .结果表明本文建立的方法简便易行 ,可用于高加载速率下裂纹扩展速度的测定 .

中低速冲击下Ⅰ型裂纹的动态断裂韧度研究

起裂韧度和扩展韧度是分别用来判别裂纹起裂和扩展的两个重要材料参数,为了探索在中低速冲击荷载下岩石的起裂韧度和扩展韧度的测试方法,选择砂岩单裂纹半圆孔板试样以中低速落锤试验机进行了冲击,并利用裂纹扩展计和应变片测试裂纹的起裂时间及裂纹扩展速度。使用AUTODYN有限差分软件,裂纹软化模型及线性状态方程建立了相应的数值计算模型,结合实验-数值法确定预制裂纹的起裂韧度和扩展韧度,结果表明:动态冲击载荷下裂纹扩展速度不是一个常数;对于隆昌青砂岩,其动态扩展韧度与裂纹扩展速度成反比关系,扩展速度越大,扩展韧度越小;材料扩展韧度不是一个独立的材料参数,而是一个与裂纹扩展速度有关的参数。

变载荷作用下Ⅲ型裂纹扩展的解析解

通过复变函数论的方法,对变载荷P t、P t/x作用下裂纹动态扩展的反平面问题分别进行研究.应用该法可以迅速地将所论问题转化为R iem ann-H ilbert问题,通过自相似函数的方法就可以获得解析解.利用这些解并采用叠加原理,就可以求得任意复杂问题的解.

采用扩展有限元法的线式爆炸分离装置裂纹扩展分析

为了提高线式爆炸分离装置的安全性,本研究基于扩展有限元法,通过创建二维和三维动态裂纹扩展模型,探索了线式爆炸分离装置在爆轰波作用过程中的动态裂纹扩展和止裂机理。研究表明,分离壳体的裂纹扩展路径独立于裂纹初始角度;不考虑载荷时序时,二维和三维动态裂纹扩展的主方向分别沿着分离壳体的径向和环向;考虑载荷时序时,受不同区域应力波的联合作用,三维裂纹沿环向扩展的同时会沿着轴向扩展,但裂纹的扩展均不会影响到止裂槽以外的结构。所提方法和相应结论可为线式爆炸分离装置设计提供参考。

抛掷型岩爆震源体能量动态释放机制与几何尺度特征

为了进一步理解岩爆的机制并解释岩爆发生的过程,通过对抛掷型岩爆能量来源、去处及大小的分析,提出了抛掷型岩爆的震源两体模型。抛掷型岩爆本质上是释能体-岩爆体相互作用下岩石裂纹动态扩展和能量快速释放的过程。从岩爆体张拉断裂机制出发,采用脆性内聚裂纹阵列扩展动力学模型分析了裂纹间距与应变率对岩爆体能量释放速率的影响。据此得出释能体对岩爆体的作用可归结为应变率效应,释能体能量释放速率越大,对岩爆体的动态加载速率就越大,使得岩爆体能量释放速率加快。岩爆体破裂能量释放速率越大,作用于释能体的动态卸载速率就越大,又使得释能体的能量释放速率增大,两体相互作用形成的动态加、卸载效应构成了岩爆能量释放的正反馈机制。基于上述理论推导得出岩爆震源体的几何尺度是岩爆体的几倍到几十倍,理论结果与现场实际监测分析基本吻合。

高韧性管道动态断裂的气体减压模式和材料韧性研究

天然气管道上动态裂纹扩展包含气体、结构和断裂的相互作用.因此,分析射流场分布特性及其与管壁开裂变形的相互作用是数值模拟过程的关键问题.随着钢管韧性等级的迅速提升和气体压力的不断提高,原有的经验公式乃至算法多数不再适用,亟需通过理论、试验和数值模拟给出新的扩展与止裂判据,以控制裂纹在管道上扩展的速度和距离.本文通过一系列的韧性试验校正了现行的管材韧性判定办法,并对不同工况下的裂纹动态扩展以及超声速射流场进行了数值仿真,以建立一套工程适用的评价体系.

-196℃奥氏体不锈钢母材与焊缝的动态断裂韧性

在-196℃对S30408奥氏体不锈钢的母材和焊缝进行了夏比摆锤冲击实验,采用改进的柔度变化率法得到了低温下不锈钢母材夏比试样的起裂点。结果表明,采用改进的柔度变化率法得到的结果比采用传统的柔度变化率法得到的结果更准确。根据实验得到的载荷-位移曲线,结合采用Schindler法和关键曲线法各自所得结果的优点,得到了不锈钢母材的动态裂纹扩展阻力曲线(动态J-R曲线)。依据不锈钢焊缝在低温动载下的载荷-位移曲线及其断裂特征,通过线弹性断裂力学计算获得其动态断裂韧性。

X90钢级高压气体管道爆炸裂纹起裂与止裂实验研究

开展X90钢级高压气体管道爆炸模型实验,初步探索并解决了管道爆炸实验的关键技术问题,为管道全尺寸爆破实验提供数据和方法支撑。结果表明:实验方法及测试仪器的选择可靠有效,解决了管道封堵、初始裂纹引入、传感器安装及密封、动态参量测试以及测试系统构建等关键技术问题;填充空气的运行压力为12.3MPa的X90钢管裂纹最大扩展速度约为248m/s,临界止裂压力约为4.5MPa,临界止裂速度约为100m/s;裂纹止裂器止裂效果明显,可进一步优化其安装位置并适当加宽加厚,进一步提高止裂效果。