含切口的压电准晶组合结构界面断裂分析的辛-等几何耦合方法

发展了一种适用于含有切口的压电准晶/压电晶体/弹性体三材料组合结构界面断裂问题的高精度的半数值半解析方法.首先,通过引入Hamilton体系建立了三材料组合结构的Hamilton对偶方程,将原问题在传统Lagrange体系下的高阶偏微分控制方程转化为低阶常微分方程组.其次,通过分离变量法求解问题对应的辛本征值和本征解,将各物理场变量利用辛级数展开形式表示.最后,将辛级数与等几何分析方法相结合,获得了辛-等几何耦合列式,直接求得切口尖端附近奇异物理场及其强度因子的解析表达式.

混凝土-岩石界面断裂试验研究进展

对于建在岩基上的混凝土结构,混凝土/岩石界面是影响结构强度和稳定的薄弱环节,界面含有的裂纹缺陷在复杂荷载条件下可能扩展,从而导致工程结构的损伤破坏。开展混凝土/岩石界面的断裂试验研究,确定其断裂参数和断裂性能,对提高结构的稳定性和耐久性具有重要意义。虽然关于混凝土和岩石的断裂均已有较多的试验研究,但针对两者之间界面断裂特性的研究尚处于起步阶段。对混凝土/岩石界面在静态和动态荷载作用下的断裂试验研究进行了综述。介绍了相关的试验方法和试验装置,分析了混凝土/岩石界面在静态和动态荷载作用下的断裂参数和裂纹扩展过程,并探讨了其在动态荷载作用下的应变率效应。

含V型缺口分数阶黏弹性复合材料反平面界面断裂的辛方法

本文提出求解含V型缺口的分数阶黏弹性复合材料反平面界面断裂问题的辛方法.分数阶Kelvin-Zener模型用于描述材料的黏弹性特征;借助Laplace变换,将时域内黏弹性反平面断裂问题的基本方程转换到频域空间;通过引入位移的对偶变量广义应力,建立问题的哈密顿求解体系.在该体系下,对偶方程的本征值和本征解可以利用分离变量法求解,本征解级数展开的系数通过本征解的辛共轭正交关系和外边界条件确定.这样将得到含缺口黏弹性复合材料反平面应力/应变强度因子的解析表达式.最后通过Laplace逆变换,得到时域空间内的应力/应变强度因子.数值算例验证本文方法的准确性,并揭示了分数阶参数、缺口角度和外载荷对应力/应变强度因子的影响.

断裂相场法在材料失效分析中的应用:界面断裂的超剪切转变

Ⅱ型裂纹界面断裂速率可以超越材料的剪切波速已经在理论和实验中被证明,这种界面断裂的跨声速转变被普遍认为受“Burridge-Andrews”机制(也称“子-母”裂纹机制)控制。然而,对于这种跨声速转变机制,子裂纹的直接证据很少被报道,甚至有些报道中并没有在裂纹跨声速转变过程中观察到子裂纹。近期,中国科学技术大学李良彬教授课题组开展了Ⅱ型裂纹界面跨声速转变的数值模拟研究,“子-母”裂纹扩展过程首次在相场断裂模拟中被重现。他们的工作揭示了一个跨声速裂纹发生的临界预应力水平值,并提出了子裂纹出现的定量化预测准则。

铜基金属纳米多层膜界面介导的损伤及断裂行为原位研究进展

作为一种典型异质结构材料,纳米金属多层膜的力学响应通常表现出界面介导的损伤及断裂行为。而基于电镜发展的原位力学测试方法,可实现多层膜变形过程中力学行为的精确刻画,从而有助于揭示其界面损伤及断裂的潜在物理机制。当前围绕纳米多层膜的原位研究已有诸多进展。以铜基金属纳米多层膜为例,从缺陷-界面交互行为出发,基于组元层厚对位错运动的影响,详细讨论了位错塞积、约束层滑移和位错穿越3种位错-界面交互机制导致界面损伤的原位研究进展;阐述了孪晶-界面交互行为对界面损伤的影响,进一步分析了因孪生导致的界面损伤行为。在此基础上,讨论了多层膜变形过程中界面介导的裂纹萌生和扩展行为;基于界面类型、载荷加载形式和裂纹偏转等因素,详细分析了多层膜界面介导的断裂机制。最后对材料损伤断裂行为的原位研究进行了展望。

基于纤维拔出研究木材胶合界面的断裂行为

【目的】借鉴复合材料中纤维拔出方法探究木材/酚醛树脂(PF)胶合试件真实的界面剪切强度,分析拔出木条的断裂形貌和细胞壁层的破坏模式,为揭示木材胶合界面的断裂机理提供理论支撑。【方法】根据前期试验条件探索,分别制备得到两种类型木材胶合试件:早材木条/PF树脂和早–晚材木条/PF树脂。利用万能力学试验机和超景深三维显微镜测得的数据计算出平均界面剪切强度,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)表征手段分析界面相内聚合物分子间作用形式、拔出木条的宏观断裂形貌、微观尺度细胞壁层破坏模式以及裂纹的萌生与扩散。【结果】载荷–位移曲线表明:拔出过程中木条/PF树脂界面相均发生脆性断裂,早材木条/PF树脂的界面剪切强度为(1.23±0.12)MPa,而早–晚材/木条/PF树脂的界面剪切强度为(3.66±0.11)MPa,约为早材木条的3倍。FTIR分析得出:木材与PF树脂聚合物分子间被证实发生化学交联反应,增强界面相黏结性能。SEM结果显示:拔出后埋入顶端早材木条试样的断裂类型为剪切破坏,而埋入底端早材木条的断裂类型为拉伸–剪切破坏共存;拔出后早–晚材木条试样的断裂类型以碎片化拉伸破坏为主。AFM图像表明:拔出后早材木条试样以跨壁层破坏为主,起始裂纹发生在厚度变化较大的相邻管胞壁的S_(2)层,随后沿着S_(1)/S_(2)界面扩展;拔出后早–晚材木条试样晚材细胞S_(2)层起始裂纹同时沿着CML/S_(1)和S_(1)/S_(2)界面扩展;此外,交叉场区域容易发生应力集中,外部拉力载荷使得射线细胞发生剥离或整体脱落。【结论】PF树脂在早材和晚材中渗透差异导致两种类型胶合界面的剪切强度差异,早材木条和早–晚材木条自身结构和性能的差异性是造成拔出后界面断裂形貌差异的主要原因。

细胞伪足断裂的力学行为和微观机制分析

目的阐明细胞伪足断裂过程中发生的细胞骨架与质膜之间界面破坏的力学机制。方法使用共聚焦显微镜动态成像技术,捕捉伪足断裂过程中肌动纤维与细胞膜的变形行为。基于圆柱面界面破坏理论模型,研究伪足断裂过程中界面破坏的力学机制。基于分子动力学模拟方法模拟伪足断裂过程,并将模拟结果与理论预测结果比较。开发具有拉伸扭转耦合运动性质的肌动纤维有限元模型,模拟分析有无细胞膜包裹下肌动纤维在拉伸载荷下的扭转行为。结果理论分析表明,界面破坏的临界载荷与界面裂纹长度之间存在指数关系,临界载荷随着界面强度的增加而增加。纤维截面尺寸对临界载荷的影响与界面裂纹长度有关,在较短和较长尺寸的裂纹下表现出不同的影响。有限元分析表明,细胞膜约束了肌动纤维拉伸过程中的扭转运动。结论本研究揭示了细胞伪足断裂的力学过程和肌动蛋白纤维与细胞膜界面破坏的力学机制,为探究细胞外囊泡释放等与伪足断裂相关的细胞行为机制提供定量的理论支持。

金属基陶瓷涂层弹性模量和界面断裂韧度

对双面涂层三点弯曲试验方法进行了改进(两面涂层不必等厚度),基于该理论对一种铁基陶瓷涂层进行了试验研究,并与单面涂层的三点弯曲试验结果进行了比较。结果表明,随涂层厚度的增大,弹性模量增大。分析认为,一方面涂层越厚,测量精度越高;另一方面涂层厚度增大,孔隙率降低,使得弹性模量增大。研究发现涂层弹性模量与喷涂方向有关,呈现了各向异性的特性。文中还介绍了测量涂层/基体界面断裂韧度的研究进展,着重介绍了测量界面临界应变能量释放率的四点弯曲试验、改进的拉伸试验方法以及采用威布尔应力评价界面强度的局部法。

高温合金氧化膜破坏的界面断裂力学分析

依据双材料模型分析高温合金氧化膜的应力状态,确定了氧化膜弯曲剥落的最大挠度与氧化膜压应力间关系.利用界面断裂力学理论,建立了高温合金氧化膜剥落的弯曲图.镍基高温合金氧化表面剥落的Al2O3氧化膜,在界面粗糙度参数λ为0.3-0.4,临界弯曲指数Ⅱc为1和临界粘附性指数Σc为1.15时,弯曲剥落特性与实验结果相符.高温合金氧化膜的弯曲图合理解释了氧化膜的弯曲剥落过程.

混凝土-环氧树脂黏结界面的断裂性能分析

采用夹心楔入劈拉试件并结合双K断裂模型研究混凝土-环氧树脂黏结界面断裂性能.相比于原混凝土试件,环氧树脂注胶后形成的夹心试件的起裂荷载、极限荷载、双K断裂参数以及断裂能均有增长,而黏聚断裂韧度值没有提高;粗糙界面试件的黏聚断裂韧度试验值与采用软化曲线计算得到的黏聚断裂韧度计算值相等,光滑界面试件由于壁效应的存在,黏聚断裂韧度较低.可以认为环氧树脂注胶技术推迟了裂缝的再开展,使得起裂断裂韧度提高,采用起裂断裂韧度代入裂缝偏折判断条件进行界面裂缝偏折判断时,结果与试验相符.

声发射技术检测牙齿不同流动树脂填充后粘接界面断裂的效果

选择20颗前磨牙制备Class I类洞,按厂家说明涂布粘接剂,将20颗牙随机均分为2组:传统组和自粘结组,分别按照厂家说明充填3M ESPE FiltekTM Z350XT流动树脂(传统组)和Kerr DyadTM自粘接流动树脂(自粘结组),同时用北京软岛DS5声发射仪进行监测300 s,声发射仪记录30 s后对树脂光固化20 s,分别计算声发射事件总数及总能量。结果显示,声发射、总能量传统组[(18.77±12.60)m V×ms]与自粘接组[(42.41±22.12)mV×ms]比较差异有统计学意义(P<0.05);声发射事件总数传统组(59.9±34.10)与自粘接组(65.9±17.14)比较无统计学差异(P>0.05)。认为声发射技术可以用来检测不同流动树脂粘接界面断裂,自粘结流动树脂更容易发生粘接界面断裂。

半固态连接不锈钢-铝合金界面断裂性能分析

采用半固态连接技术制备了不锈钢-铝合金双金属材料,参照ASTM-E813标准,对这种双金属材料界面断裂行为进行了试验及数值分析,以KIC为评价指标,对不锈钢-半固态铝合金界面与铝合金基体的断裂韧性进行了比较。研究结果表明:采用三点弯曲实验方法,可以显著降低界面裂纹尖端的复杂应力水平;半固态连接不锈钢-半固态铝合金界面断裂为典型的脆性断裂,界面临界断裂韧性略低于基体铝合金的断裂韧性。

任意裂纹面荷载作用下界面断裂分析

为研究裂纹面上作用的荷载对裂纹稳定性的影响,本文基于比例边界有限元方法提出裂纹面作用有任意方向、任意大小面荷载的界面应力强度因子求解模型.界面裂纹具有复数形式的应力奇异性指数,在任意裂纹面荷载作用下其奇异应力场更为复杂.应用本模型,径向的位移和应力可解析求解,无需网格细分即可自动反映裂尖的应力奇异性.裂纹面上的任意荷载首先可分解成平行于裂纹面以及垂直于裂纹面的分量,并进一步分解成有限项幂函数的和.对每个幂函数荷载解析求解,基于线性叠加原理获得结构在全部荷载作用下的解.该模型对各向同性材料和各向异性材料均适用.文中通过板承受裂缝面荷载时的应力强度因子求解的多个算例对该模型进行了验证和应用,对板的几何尺寸和双材料参数进行了敏感性分析,并应用于重力坝坝踵界面裂缝在水压力作用下的应力强度因子求解.

云纹干涉法应用于金瓷界面抗断裂能力研究的初步探讨

目的 探讨云纹干涉法在金瓷界面抗断裂能力研究中的应用。方法 在5组金瓷厚度不同的试件表面制作光栅,加载后采集u场及v场云纹干涉条纹,推算各组金瓷界面断裂韧性Jc值并观测裂纹扩展方向。结果加载条件下,裂纹周围显示应力集中区,条纹随载荷增加逐渐变密。由云纹干涉图位移场算得各组试件金瓷界面断裂韧性各不相同,其裂纹扩展方向也有差异。结论 云纹干涉法适用于金瓷界面断裂韧性的研究,也可用于观测并预测裂纹的扩展方向及趋势。

混凝土与环氧树脂粘结界面断裂性能试验研究

采用楔入劈拉试件研究环氧树脂与混凝土粘结界面的断裂性能,并引入双K断裂模型计算得到界面起裂断裂韧度与失稳断裂韧度。分析了光滑粘结面与自然断开面两种粘结界面情况下,界面破坏模式变化及界面断裂韧度的差异。界面起裂断裂韧度的提高能有效推迟裂缝的再次开裂,建议将界面起裂断裂韧度值作为注胶修复效果的参数。通过双材料界面断裂力学从理论上计算得到界面起裂韧度,并与试验值进行比较,与试验结果比较吻合。

橡胶-钢粘接界面断裂问题非线性有限元分析

为解决橡胶-钢粘接界面断裂非线性有限元计算问题,建立了含初始裂纹的橡胶-钢粘接复合结构有限元模型;用张开位移作为裂纹开裂的判定参数并模拟了裂纹的扩展,计算值与试验值的对比证明了该方法的可行性;计算了开裂前粘接界面的层间应力,分析了开裂前裂纹前沿和沿裂纹扩展方向的层间应力变化情况;用断裂力学中的柔度法计算橡胶-钢复合结构的能量释放率,计算并分析了能量释放率沿裂纹扩展方向的变化情况,并与实验结果进行了对比验证,结果证明:该方法是可行的。

瓷修复体界面断裂行为的模拟实验研究

本文利用云纹干涉法和云纹干涉一有限元混合法,对瓷修复体的模拟双材料模型界面断裂问题进行了实验研究。用云纹干涉和数字错位云纹干涉法测量带边裂纹的双材料四点简支梁在剪切作用下界面表面的剪应变分布及界面两侧局部表面的位移场,实验表明,由于界面两侧材料力学性质不同,表现出界面剪切断裂问题的非称性和裂尖附近复合型断裂的特点;用云纹干涉法和有限元法相结合的混合法对粘接界面角点应力奇异性进行研究,并对角点附近应力应变场作了分析,得到了应力奇异指数与边界楔角、载荷的关系,证明了用界面应力强度因子K_f来描述界面端部区域应力分布的公式,并得到了双材料界面端部区域的应力应变分布悄况。本文的实验结果为进一步研究日腔金瓷修复体界面的优化设计提供了基础,同时也说明云纹干涉法对于双材料界面断裂行为的研究是有效的。

氮化硅/铝扩散连接结构的界面断裂特征

在真空不低于 1 5× 1 0 -3 Pa ,温度为 6 0 0℃ ,压强为 30MPa,保温 2h的条件下进行了Si3 N4 /Al的扩散连接。微观分析表明 ,连接的Si3 N4 /Al的界面两侧存在Si和Al原子有限的相互扩散。界面断裂力学实验证实 ,Si3 N4

界面断裂

本文分析了复合材料的界面断裂问题，阐述了有关界面裂纹的基本概念，并对界面裂纹的力学模型进行了比较和归纳，最后讨论了用断裂力学参量Ｇ＿ｃ和Ｋ＿ｃ评估界面结合强度的有效性及一般原则。

Ti-7Al和TiC界面拉伸断裂机制的分子动力学模拟

采用分子动力学与EAM势函数结合的方法研究了α-Ti中Al原子不同固溶取代模型对其能量和力学性能的影响,并通过混合势函数探究了Ti-7Al与Ti C界面原子尺度的拉伸变形过程和断裂机制。结果表明:当Al原子取代α-Ti中能量较低的原子时,其单晶屈服强度增加较大;当Al原子取代能量较高的原子时,单晶屈服强度增加较小,同时在α-Ti(Al)拉伸变形过程中发现了孪晶变形。在Ti-7Al和TiC界面处进行拉伸变形的过程中,随着应变的增加,α-Ti(Al)中产生大量1/3<1100>位错线,并表现出一定取向性,然后扩展、增殖并聚集,直至界面断裂,断裂位置在Ti-7Al与TiC界面的Ti-7Al一侧,说明Ti-7Al和TiC界面结合强度较好。