应力场常数项对Ⅰ型裂纹起裂扩展行为影响

对含裂纹材料与结构断裂力学评估中的最大环向应力准则(MTS)、最小应变能密度因子准则(SED)和平均应变能密度准则(ASED)以及在此基础上考虑应力场常数项影响修正的断裂准则进行介绍;基于考虑裂尖应力场奇异项和常数项的修正MTS准则、修正SED准则和修正ASED准则,对比分析了裂尖应力场常数项对Ⅰ型裂纹的起裂扩展行为,探究了裂纹尖端应力场常数项以及材料泊松比对Ⅰ型裂纹偏折、断裂极限的影响规律,掌握了应力场常数项对Ⅰ型裂纹偏折、起裂扩展影响阀值。研究结果表明,裂纹尖端应力场常数项T应力对Ⅰ型裂纹起裂扩展偏折角及断裂判据的影响不可忽略,研究结果可为含裂纹材料与结构断裂力学评估提供一定参考。

基于ABAQUS平台考虑T应力的Ⅰ型裂纹扩展模拟开发

工程结构在制造工艺过程中或使用期间会产生裂纹,对结构断裂路径的预测和研究是防治工程安全问题发生的重要手段。在考虑裂纹尖端应力场常数项T应力的基础上对传统的最大周向应力准则(Maximum tangential stress criterion,MTS)和最小应变能密度因子准则(Minimum strain energy density criterion,SED)进行修正,采用Python语言对ABAQUS的前、后处理和有限元计算模块进行二次开发,通过计算最优解的粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)将修正后的准则编入裂纹自动扩展程序脚本中。利用上述二次开发程序对初始纯Ⅰ型裂纹的扩展路径进行模拟,结果表明:采用ABAQUS脚本程序模拟结果与相关文献实验结果吻合,表明了程序的有效性,进而实现考虑T应力的多种断裂准则对裂纹扩展路径的预测;当T应力值处于一定范围内时,修正的MTS准则无法预测裂纹发生的偏转现象,扩展路径呈直线,此时可采用修正的SED准则进行预测。

冲击荷载下充填节理岩体Ⅰ型裂纹动态扩展特性研究

为研究冲击荷载作用下充填节理岩体Ⅰ型裂纹动态扩展特性,利用分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar,简称SHPB)试验系统及裂纹扩展测试系统,对石膏、水泥及云石胶3种充填节理的侧开三角形单边裂纹(singlecleavage triangle,简称SCT)岩体试件进行动态冲击压缩试验,对比分析裂纹动态扩展过程及冲击破坏模式,并通过试验-数值法研究了Ⅰ型裂纹动态扩展过程中的应力强度因子及能量释放率的变化规律。研究表明:充填节理岩体主要有3种破坏模式,分别为预制裂纹扩展贯穿整个试件、裂纹贯穿后发生充填节理破坏、充填节理先破坏并阻滞裂纹贯穿;节理充填体的破坏与充填体强度、胶结力及应变率等相关;裂纹扩展速度自起裂处振荡增长,并在贯穿充填节理前某个位置达到最大,而应力强度因子及能量释放率在节理附近达到最大;充填节理刚度退化会抑制裂纹的扩展,并造成能量释放率的急剧增大;岩性组合差异加剧岩体试件材料属性的失配,导致应力强度因子及能量释放率随裂纹穿过节理后出现不同程度降低。

基于透射信号的钢桥面板贯穿型裂纹超声检测方法研究

目的 提出一种基于超声波透射信号的钢桥面板贯穿型裂纹检测方法,提高在役钢桥隐蔽裂纹检测精度和效率。方法 采用数值分析方法研究了超声波在含裂纹面板中的传播机制,分析了不同裂纹参数与接收信号强度的变化规律,并通过顶板贯穿裂纹检测试验,进一步验证该检测方法的可行性。结果 裂纹检测参数建议激励晶片边长为4 mm、激励频率为5 MHz、K值为0.8;裂纹宽度小于0.1 mm时可忽略裂纹宽度对检出信号的影响,裂纹宽度大于0.1 mm时可将尖端反射信号作为判断依据;透射信号与裂纹深度呈负相关,恢复至最大值时的入射坐标与裂纹深度呈线性关系,作为裂纹深度的计算依据,检测误差在1 mm以内。结论 基于穿透信号的超声波检测方法,以恢复至最大值时的入射坐标为主要指标,可以实现钢桥顶板贯穿裂纹的有效检测。

压电材料平面Ⅰ型裂纹模拟仿真分析

文中利用复变函数知识,基于压电材料第二类本构方程推导了压电材料平面Ⅰ型裂纹尖端的应力场和电位移场及机械应变能释放率的解析解,采用虚拟闭合裂纹法和Abaqus软件对压电材料平面型裂纹进行模拟仿真分析,根据仿真结果得到的机械应变释放数值解,讨论了裂纹参数与施加力电载荷对裂纹扩展的影响。将仿真模拟的数值解与解析解相对比,数值解结果与解析解符合程度较好,验证了虚拟裂纹闭合法与有限元软件结合方法的有效性。

平面幂律塑性Ⅰ型裂纹尖端应力场全解

在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域,服役结构或部件在长期极端条件下运行,不可避免地会产生裂纹,因此,为研究含裂纹结构的准静态断裂行为,必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点.对于幂律材料裂纹构元,研究平面应变和平面应力条件下Ⅰ型裂纹尖端应力场的解析分布.基于能量密度等效和量纲分析,推导了能量密度中值点代表性体积单元(representative volume element,RVE)的等效应力解析方程,并定义其为应力因子,进而针对有限平面应变和平面应力紧凑拉伸(compact tension,CT)试样和单边裂纹弯曲(single edge bend,SEB)试样,以应力因子作为应力特征量,并构造用于表征裂尖等效应力等值线的蝶翅轮廓式和扇贝轮廓式三角特殊函数,提出描述幂律塑性条件下平面I型裂纹尖端应力场的半解析模型.该半解析模型形式简单,对CT和SEB试样的裂尖应力场的预测结果与有限元分析的结果比较表明,两者之间均密切吻合,模型公式可直接用于预测Ⅰ型裂纹尖端应力分布,方便于断裂安全评价和理论发展.

冲击作用下花岗岩的Ⅰ型裂纹形态及断面粗糙度研究

岩体工程中岩石常因动载作用产生断裂,研究岩石在冲击荷载下Ⅰ型裂纹的响应规律,采用分离式霍普金森压杆试验系统开展了侧开单裂纹三角形(single cleavage triangle,简称SCT)花岗岩试样的动态冲击断裂试验。采用Hough变换方法实现了表面裂纹形态长度及角度分布的定量描述,分析了表面裂纹形态与试样吸收能量的关系;并利用三维表面形貌仪获取了断面的三维点云数据,提出了基于拟合曲面阈值检测的断面重构方法,有效解决了断面三维点云数据误差点出现导致的误差问题;讨论了断面粗糙度与试件吸收能量间的关系。结果表明:随着吸收能量的增大,裂纹长度的指数分布λ值有增大的趋势;裂纹角度的分布较为平均,水平方向上的裂纹相对较少,试件能量耗散较低时,裂纹具有明显的方向性,能量耗散较高时,裂纹的弯曲程度更高且贯通性较好;断面重构方法在x、y方向点数的0.03~0.08,阈值为0.25时能够较好的完成断面处理,试件A、B断面的粗糙度统计参数随能量耗散的增大呈下降趋势。

岩性对I型裂纹定向扩展规律影响的试验研究

为揭示岩性对岩石I型裂纹定向扩展的影响规律,采用一种简易裂纹定向扩展装置开展白砂岩、灰砂岩和大理岩3类典型岩石加载试验,研究不同类型岩石I型裂纹定向扩展过程中变形场及声发射演化特征,探讨岩性影响下I型裂纹扩展机制。研究结果表明:白砂岩峰后荷载曲线呈平缓降低趋势,而大理岩和灰砂岩峰后曲线则呈陡降趋势,且其断面平整度高于白砂岩的,脆性断裂特征更为显著;根据水平位移场演化规律,可将岩石I型裂纹扩展过程划分为弹性变形、微裂纹集结成核和裂纹起裂扩展3个阶段,而白砂岩进入微裂纹集结成核阶段则远早于大理岩和灰砂岩;岩石I型裂纹扩展全过程中声发射演化可划分为平静期、活跃期、突增期和回落期4个阶段,其中白砂岩的平静期、活跃期及突增期持续时间短、回落期持续时间长,而大理岩和灰砂岩则与之相反;岩石I型裂纹扩展的本质是断裂过程区孕育过程,由于白砂岩断裂过程区长度大于大理岩和灰砂岩的,造成其裂纹定向扩展速度及稳定程度均低于其他两类岩石。

关于各向异性纤维复合材料板Ⅰ型,Ⅱ型裂纹尖端的应变能释放率

研究各向异性纤维复合材料板的断裂问题 ,首先分两种情况给出了I型 ,II型裂纹尖端的应力与位移公式 .其次将应力与位移代入应变能释放率的基本公式 ,推出了I型 。

关于各向异性纤维复合材料板Ⅲ型,混合型裂纹尖端的应变能释放率

研究各向异性纤维复合材料板的断裂问题.首先给出了Ⅰ、Ⅱ混合型,Ⅲ型裂纹尖端的应力与位移公式的极坐标形式.其次将应力与位移代入应变能释放率的基本公式,推出了Ⅰ、Ⅱ混合型,Ⅲ型以及Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合型裂纹尖端应变能释放率的具体计算公式。

三轴压缩情况下岩石变形特征的滑移型裂纹模拟

根据滑移型裂纹模型,基于裂纹扩展过程中的能量平衡原理,建立了三轴压缩情况下岩石材料的变形模型,并模拟了围压为20,50,80 MPa时花岗岩的变形特征。研究结果表明,模拟结果与实验结果符合得比较好,为通过裂纹模型定量研究岩石材料在三轴压缩情况下的变形特征提供了一种可行方法。

高加载率下Ⅱ型裂纹试样的动态应力强度因子及断裂行为

采用Ｈｏｐｋｉｎｓｏｎ单压杆技术对单边平行双裂缝试样进行高速剪切加载，用实测的试样加载面上的载荷ｐ（ｔ）结合有限元计算确定其动态应力强度因子。同时还发展了一种用实测的裂尖动态应变，通过在准静态下标定的裂尖应变与应力强度因子间的关系来确定动态应力强度因子的近似方法。实验结果表明，对于稳定裂纹在无边界反射应力波干扰的情况下，两种方法获得的动态应力强度因子吻合得相当好。对４０Ｃｒ钢和Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ钛合金两种材料的动态Ⅱ型断裂实验结果显示出两种完全不同的剪切破坏模式和机理。

Ⅲ型裂纹断裂韧性测试及数值分析

设计测试岩石III型断裂韧性的试件及装置,测得比较稳定的花岗岩及大理石的III型断裂韧度。同时,也实测铸铁和低碳钢的III型断裂韧性,并对两类材料测试结果进行比较。通过断裂力学及有限元技术对试件III型裂纹应力场进行分析,得出裂纹尖端应力场第一主应力与剪应力的比值σ1/τzθ随裂纹深度δ的变化关系。从而揭示随裂纹深度δ的增加,III型裂纹破裂面将由螺旋面向直剪面变化的原因。

白桦材LT型裂纹的演化与增长行为的研究

该文以白桦为研究对象 ,利用数字散斑相关技术对白桦LT型裂纹的演化与增长的力学行为进行了实验研究 .记录了裂纹尖端局域场形变信息的散斑图像 ,经过相关运算得出裂纹尖端的位移场分布图 ,并对含有LT型裂纹的白桦断裂韧度进行了测定 .研究结果表明 ,将数字散斑相关方法应用于白桦LT型裂纹的演化与增长行为的研究行之有效 ,可以直观再现其裂纹增长与断裂过程的力学特征 .裂纹尖端附近有较大变形 ,应力集中明显 .该试验测定的含有LT型裂纹的白桦试样断裂韧度为 39 86 4MPa·m1 2 .

滑移型裂纹模型在研究岩石动态单轴抗压强度中的应用

基于滑移型裂纹模型 ,研究了花岗岩在应变速率为 10 -4 ～ 10 0 s-1的单轴抗压强度与应变速率的关系。结果表明 ,花岗岩的抗压强度随应变速率的增加而增加 ,模型结果与实验结果吻合较好。在动荷载作用下 ,裂纹的扩展速率和岩石断裂韧度的率相关特性 。

Ⅲ型裂纹弹塑性场在裂纹线附近匹配方程的一般形式

针对理想弹塑性Ⅲ型裂纹问题,对线场分析方法的步骤和匹配过程进行了凝练和归纳,给出了裂纹线附近塑性场、弹塑性边界、弹塑性匹配方程的一般形式及其一般求解步骤,将不同条件下的Ⅲ型裂纹问题归结为由4个匹配方程确定4个待定常数,并通过一个具体问题,验证了这一方法的正确性、简明性和通用性.

爆炸荷载下不对称Y型裂纹扩展规律的试验研究

采用爆炸加载透射式动焦散测试系统,研究了爆炸荷载下不对称Y型裂纹扩展的动态行为。试验结果表明:爆炸荷载下两相向运动裂纹在相遇前裂纹尖端奇异场相互影响,焦散斑扭曲,裂纹尖端应力场改变,相遇前沿偏离水平方向相向扩展,偏离角度逐渐增大,相遇后偏离角度逐渐减小并朝对方已有裂纹方向扩展;两分支裂纹相交于主裂纹,翼裂纹主要从与入射应力波夹角较小和长度较长的分支裂纹起裂,沿周向最大拉应力垂直方向扩展;入射应力波夹角较小和长度较长的分支裂纹对入射应力波夹角较大和长度较短的分支裂纹扩展及其尖端应力强度因子有抑制作用;分支裂纹尖端动态应力强度因子均值随分支裂纹与应力波夹角增大而减小,分支翼裂纹扩展速度呈现振荡式变化规律。研究结果为实际工程中分析相互贯通裂纹的扩展规律提供了可靠依据。

非均匀因素对I型裂纹扩展、相互作用影响的数值分析

在拉张外载作用下,应用RFPA2D程序对端部开切口、内部预制裂纹试样和坚硬颗粒试样进行数值模拟分析,并对不同均质度下岩样的贯通机制和载荷-位移曲线进行分析。结果表明,非均质性存在产生试样的应力分布局部集中和变形局部化,是引起裂纹复杂相互作用和扩展贯通的根源。

应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子试验研究

基于扩展裂纹尖端附近应变场分析,采用冲击载荷作用的三点弯曲梁进行试验,开展了应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子的研究。明确了应变片与裂纹扩展方向之间朝向角为特定锐角和钝角条件下,动态裂纹尖端附近的归一化应变采用与裂纹扩展速度、应变片黏贴位置相关的二项式来表示,给出了二项式的相关系数确定过程和动态应力强度因子计算式。结果表明,二项式的理论计算的应变与时间关系变化曲线与试验实测相吻合;选取曲线最大值两侧3/4峰值处的时间差为特征时间△t时,理论计算结果与实测的应变与时间关系一致性较高;选用理论计算和试验实测的应变与时间关系变化曲线最大值,结合计算式,确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子,同时,与采用动焦散线法计算的结果进行对比,验证了应变片法确定Ⅰ型裂纹动态应力强度因子的可行性。研究过程为应变片法在岩石断裂力学特征量的测定提供了理论基础。

采用新方法研究非局部理论中Ⅰ-型裂纹的断裂问题

采用新的方法研究非局部理论中Ⅰ_型裂纹的断裂问题,进而确定裂纹尖端的应力状态,这种方法就是Schmidt方法· 所得结果比艾林根研究同样问题的结果准确和更加合理,克服了艾林根研究同样问题时遇到的数学困难· 与经典弹性解相比,裂纹尖端不再出现物理意义上不合理的应力奇异性,并能够解释宏观裂纹与微观裂纹的力学问题·