用应变片法确定混凝土动态起裂时间的研究

在混凝土等准脆性材料的动态起裂韧度K_(1d)测试中,准确确定试件裂尖的起裂时间是测试工作的关键。采用分离式霍普金森压杆系统,对圆孔裂纹平台巴西圆盘混凝土试件进行动态径向冲击试验,通过在裂尖粘贴应变片的方法来确定起裂时间。讨论了应变片在裂纹尖端的粘贴位置、粘贴方向等因素对起裂时间测试值的影响,结果表明裂尖应变片的最佳粘贴方式是:在裂纹延长线上或在裂尖并与裂纹垂直的线上,都距离裂尖3 mm左右,且粘贴方向与裂纹延长线垂直。给出了考虑贴片位置和试件厚度的起裂时间计算公式。     

加工硬化对304不锈钢应力腐蚀裂纹裂尖力学性能的影响

压力管道中应力腐蚀开裂(SCC)是奥氏体不锈钢的主要失效形式之一,同时冷加工变形对材料的力学性能和裂纹的萌生及扩展会产生一定影响。本工作首先利用疲劳拉伸机获取304不锈钢不同冷加工硬化下的材料本构参数,同时利用有限元仿真软件ABAQUS建立了SCC裂纹裂尖宏观分析模型及子模型,研究不同加工硬化下304奥氏体不锈钢材料的SCC裂纹裂尖应力应变、J积分及裂纹扩展速率的影响。结果表明,材料在20%冷加工率变形内,随着材料加工硬化程度的增加,SCC裂纹裂尖Mises应力、J积分逐渐增大,裂纹裂尖应变(PEEQ)减小,一定程度加工硬化会促进和加速304不锈钢发生应力腐蚀开裂。     

铁素体管线钢的分层裂纹及其对断裂的影响

通过对针状铁素体管线钢缺口根部三维应力状态的有限元分析和不同形式的断裂实验,研究了管线钢分层裂纹产生的条件及其对断裂性能的影响.结果表明裂纹或缺口根部的三维应力状态是产生分层裂纹的必要条件,材料的强度分布影响分层裂纹的形式和方向.分层裂纹均为主裂纹扩展前材料中的弱界面在垂直该弱界面的拉应力作用下产生的,其数量和方向受裂纹端部三维应力场和材料的强度分布状态控制.分层裂纹面上的应力为零,分层裂纹有一定的间距.在断裂过程中产生的分层裂纹使裂纹或缺口根部的构形发生改变,从而对裂尖的应力状态和材料的断裂性能产生巨大的影响.穿透裂纹体的分层裂纹使其有效厚度减小,表面裂纹体的分层裂纹与裂纹扩展方向垂直.在断裂过程中产生分层裂纹需要消耗更多的能量、降低裂端三维应力约束、有效厚度降低或裂尖钝化.这些因素均使断裂扩展更加困难,而使材料韧性得到提高.     

小裂纹条件下核电关键材料304的裂尖力学特性

小裂纹条件下的环境致裂是准确预测核电关键构件在役寿命和确定检修周期的重要技术环节,但是目前对小裂纹下的环境致裂扩展少有研究。本文以核电关键材料304作为研究对象,利用断裂力学弹塑性有限元分析研究稳态下小裂纹裂尖的力学特性,研究结果表明,线弹性条件下裂纹长度对裂尖应力应变场影响不大,但是在弹塑性条件下,裂纹长度小于约1mm之后,裂纹长度减小时J积分和CTOD都明显增大,甚至远大于长裂纹条件下的参考值,此时再使用J积分和CTOD来描述裂尖强度会有很大偏差。研究工作对后续研究及工程应用有一定的参考价值。     

裂纹止裂技术及裂纹动态扩展规律研究

为了对动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂缝动态扩展行为进行研究,提出了一种大尺寸带V型底边的半圆边裂纹(SECVB)试件,其V形底部具有止裂功能。SECVB试件的V形底部设计为180°,150°和120°三个角度。采用落锤冲击装置进行了冲击试验,并使用裂纹扩展计(CPG)用于测量裂纹扩展的相关参数。利用有限差分程序AUTODYN对裂纹扩展行为进行了数值模拟,并用有限元程序ABAQUS计算了裂纹的动态应力强度因子(DSIF);根据CPG测量的裂纹萌生时间和扩展时间来确定临界应力强度因子。试验和数值模拟结果表明,SECVB试件适合于研究动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂纹扩展行为和止裂行为。在裂纹扩展过程中,裂纹可能在一段时间内止裂,并且裂纹在起始时刻的断裂韧度高于裂纹扩展时的断裂韧度。     

二维压电材料动强度因子的扩展有限元计算

采用扩展有限元求解二维弹性压电材料动断裂问题。扩展有限元的网格独立于裂纹,因此网格生成可大大地简化,且裂纹扩展时不需重构网格。采用相互作用积分技术计算动强度因子。比较了标准的力裂尖加强函数和力-电裂尖加强函数对动强度因子的影响,结果表明标准的力裂尖加强函数能有效地分析压电材料动断裂问题。分析了极化方向对动强度因子的影响。数值分析表明采用扩展有限元获得的动强度因子与其他数值方法解吻合得很好。     

A537钢疲劳裂纹扩展单次拉伸超载效应及裂尖形变,裂纹闭合行为

研究了恒定ΔＫ条件下，单次拉伸超载对Ａ５３７钢疲劳裂纹扩展速率的影响，并利用激光散斑技术原位研究超载前后的裂尖应变场，裂纹闭合效应。结果表明：超载后裂纹闭合效应呈增强趋势，裂尖应变呈下降趋势。伸超载有阻滞裂纹扩展的作用。     

含单侧预制裂纹梁的冲击动态断裂过程试验研究

利用动焦散线试验方法研究了冲击下预制裂纹梁的动态断裂行为,对比分析了冲击荷载作用下单裂纹与双裂纹试件的应力强度因子、扩展轨迹以及速度、加速度等参数的变化规律。试验结果表明:冲击荷载作用下,含双裂纹且主裂纹在冲击点正下方的试件起裂时间最早,裂纹扩展后期朝向次裂纹方向发生较小的偏移;含Ⅰ型单裂纹的试件起裂时间次之,裂纹扩展路径呈直线;含双裂纹且两条裂纹均偏置于冲击点的试件起裂时间最晚,扩展过程中发生明显的曲裂现象。同时,裂纹扩展过程中曲裂现象越严重,裂纹扩展的最大速度就越小。在落锤冲击试件到试件断裂的整个阶段,应力强度因子一直表现出振荡变化。含双裂纹的试件,在主裂纹扩展中期,次裂纹上的应力强度因子有一个快速下降的过程。     

风力机叶片复合材料裂尖温度场及微观损伤研究

依据热力耦合建立含微缺陷叶片的裂尖温度场数值模型,并研究了微缺陷叶片断裂微观损伤方式。首先,建立裂尖温度场数学模型需要确定塑性区范围和塑性区内的内热流密度函数。基于正交各向异性复合材料裂纹尖端应力场和Tsai-Wu屈服准则理论推导,得到含微缺陷风电叶片Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹的塑性区范围;内热流密度函数按照裂纹扩散规律构造。其次,利用电子扫描电镜技术对叶片试件的断口失效微观结构进行检测。通过红外热像仪监测微缺陷叶片试件表面温度实验,验证了裂尖温度场计算模型的准确性;确定计算温度场模型中内热流密度函数幂数为2;通过显微技术发现含气泡缺陷的叶片试件有纤维断裂、基体开裂损伤方式。     

相互贯通裂纹动态断裂的试验研究

为了研究动荷载作用下裂纹角度对相互贯通裂纹动态断裂特性的影响,采用动焦散试验系统进行了含预制裂纹的三点弯冲击试验。试验结果表明:两分支裂纹相互贯通,在动荷载作用下翼裂纹只会从与竖直方向夹角较小的分支裂纹尖端起裂扩展,当有一支分支裂纹起裂后,另一分支裂纹动态应力强度因子快速下降,试件内应变能重新分布;起裂的翼裂纹首先沿准竖直方向扩展,当扩展到试件约2/3高度后,翼裂纹扩展速度下降,扩展轨迹弯曲程度加大,I-II复合型断裂明显;分支裂纹起裂瞬间的KdI和KdII随着该裂纹与竖直方向夹角θ的增加而增大,其扩展的平均速度随着夹角θ的增加而减小。     

扩展裂纹端变形的有限元计算结果和分析

本文使用与试样几何、加载类型一致的模型,用节点漂移和节点松驰相结合的方法模拟裂纹扩展,进行了扩展裂纹端变形的弹塑性有限元计算。结果表明,在裂纹稳定扩展过程中,裂尖后方微小距离γ_m处,裂纹上、下表面间的张开位移δ_m和裂尖张开角(CTOA)_m均为常值,与实验结果相符。这说明控制裂纹扩展的因素是δ和CTOA,它们应是描述裂纹稳定扩展过程的参量。     

基于水平集算法的扩展比例边界有限元法研究

扩展比例边界有限元法在裂纹贯穿单元采用Heaviside阶跃函数描述裂纹面两侧的不连续位移,在裂尖则采用半解析的比例边界有限元描述奇异应力场。该方法具有无需预先知道裂尖渐进场的形式,无需采用特殊的数值积分技术直接生成裂尖刚度阵,对多种应力奇异类型可根据定义直接求解广义应力强度因子的特点。该文将扩展比例边界有限元法与水平集方法相结合,进一步发展了扩展比例边界有限元法,并将其应用于解决裂纹扩展的问题。在数值算例中,通过编写完整的MATLAB分析计算程序,求解了单边缺口的三点弯曲梁和四点剪切梁的裂纹扩展问题,计算结果显示扩展比例边界有限元法能有效地预测裂纹轨迹和荷载-位移曲线。通过参数敏感性分析,还可得出该方法具有较低的网格依赖性,且对裂纹扩展步长不敏感。     

基于X-SBFEM的裂纹体非网格重剖分耦合模型研究

扩展有限元法利用了非网格重剖分技术,但需要基于裂尖解析解构造复杂的插值基函数,计算精度受网格疏密和插值基函数等因素影响。比例边界有限元法则在求解无限域和裂尖奇异性问题优势明显,两者衔接于有限元法理论内,可建立一种结合二者优势的断裂耦合数值模型。该文从虚功原理出发,利用位移协调与力平衡机制,提出了一种断裂计算的新方法X-SBFEM,达到了扩展有限元模拟裂纹主体、比例边界有限元模拟裂尖的目的。在数值算例中,通过边裂纹和混合型裂纹的应力强度因子计算,并与理论解对比,验证了该方法的准确性和有效性。     

金属构件中裂纹的电磁热效应局部跨越止裂

采用理论分析和实验研究的方法讨论了应用电磁热效应对金属构件中裂纹实施局部跨越止裂的技术。在带有裂纹的模具钢构件上取样,对裂纹处通过点电极进行局部跨越脉冲放电。实验研究和理论分析结果均表明:跨越止裂可以使导体中局部裂纹在裂纹尖端处很小的范围内熔化形成微小的焊口,实现了钝化止裂,遏制了裂纹的扩展。通过对止裂后裂尖的金相组织观察和力学性能测试发现:超细化的条状马氏体、极少量残余奥氏体和细颗粒碳化物的出现极大地提高了裂纹尖端的硬度、韧性和耐磨性。     

轻薄型金属反平面撕裂机理研究

#x0201c;轻薄型金属(厚度#x02264;10mm)反平面撕裂机理研究#x0201d;旨在为报废汽车及家用电器的破碎回收处理提供理论依据。通过对轻薄型金属破碎过程分析及试验研究,发现#x02162;型裂纹起到了主要破坏作用;根据拉伸试验应力-应变关系曲线变化趋势与理想弹塑性材料基本一致的现象,将材料简化为理想弹塑性模型;裤形撕裂试验所获得的载荷-位移曲线变化趋势表明试样起裂前后所需载荷较大,扩展过程中载荷逐渐减小;对反平面撕裂过程研究可知,在载荷作用下裂尖塑性区逐渐向外扩展,当其达到最大尺寸后,随着载荷继续增加,裂纹则开始扩展,而塑性区也逐渐向前推移直至试样断裂。裂纹尖端场的解表明起裂前及扩展过程中尖端应力-应变场均存在奇异性,且扩展过程中尖端场奇异性比起裂前弱,即起裂前裂尖的应力-应变集中程度比扩展过程中要大,这表明裂纹在起裂阶段比扩展阶段所需载荷更大。     

混凝土直切槽平台巴西圆盘冲击劈裂拉伸断裂特性试验和数值模拟研究

采用变截面霍普金森压杆(SHPB),对高速冲击荷载下混凝土的断裂特性和裂纹演化进程进行了研究。对含复合型裂纹直切槽平台巴西圆盘(CSTFBD)进行劈裂拉伸试验,并结合理论研究了不同水灰比、不同应变率、不同预设裂纹长度和倾角对裂纹分布及断裂韧性的影响;采用扩展有限单元法(XFEM)模拟了具有不同预设裂纹倾角试件的开裂进程,得出开裂过程中试件内部的应力分布情况。结果表明,复合断裂韧性比对预制裂纹倾角的变化敏感,与裂纹长度和倾角呈负相关,而与应变率无关;次生裂纹的开裂并非发生在预设裂尖处,且裂纹倾角越大,裂尖应力集中越小、主裂纹发展越缓慢。     

宏微观双尺度运动裂纹模型面内拉伸下的解析解*

研究裂纹动态扩展中宏微观因素相互作用机制与微观裂尖区的钝化效应。平面拉伸状态下,宏观主裂纹以恒定速度运动。通过一个介观约束应力过渡区,将宏观主裂纹与微观裂尖区相连接,由此建立了一个宏微观双尺度运动裂纹模型。应用弹性动力学与复变函数理论,分别在宏观与微观尺度下对该模型进行解析求解,获得了解析解。通过裂纹张开位移从宏观到微观的连续性条件与宏微观应力场协调条件,将两个不同尺度下的解相耦合,获得了计算宏微观损伤区特征长度的显式表达式。研究表明,运动裂纹的宏观应力场仍具有通常的r&;#61485;1/2的奇异性。由于微观裂尖的钝化,微观应力场奇异性的阶次有所降低,与宏观应力场相比具有弱奇异性。双尺度运动裂纹模型中,可允许裂纹运动速度达到剪切波速,解除了经典运动裂纹理论中裂纹速度不能超过Rayleigh波速的限制。数值结果表明,介观损伤过渡区与裂尖微观损伤区尺寸,及裂纹张开位移等,与裂纹运动速度、材料性质、约束应力比、裂尖钝化角度等因素有关。     

A537钢在盐水中疲劳裂纹尖端塑性区尺寸减小与声发射

研究了Ａ５３７低强度结构钢在空气和３．５％ＮａＣｌ中性水溶液中疲劳裂纹扩展及其相应的声发射规律。结果表明腐蚀疲劳裂纹扩展过程中声发射活动下降。由于裂纹尖端塑性区内的位错运动是疲劳与腐蚀疲劳裂纹扩展的主要声发射源，所以认为声发射活动性下降是氢使尖塑性尺寸减小所致。用激光散斑干涉法裂纹尖端应变分布，证明氢的存在使裂尖塑性区尺寸减小，氢的存在同提高裂尖局部材料的流变应力。     

动态加载率对巷道内裂纹扩展速度及动态起裂韧度的影响

在巷道的钻爆法掘进过程中,巷道围岩周围将诱发较多的径向裂隙。为了研究不同冲击载荷作用下巷道内裂纹扩展速度及起裂韧度的变化规律,采用落锤冲击试验机对裂纹巷道模型试件进行冲击加载,模型试件选用青砂岩制作;试验中,采用裂纹扩展计进行裂纹扩展速度及起裂时间的测定,对不同冲击高度下裂纹扩展速度及起裂时间进行分析;随后采用ABAQUS有限元程序结合试验-数值法计算巷道模型试样在不同动态加载率作用下的动态起裂韧度,并对起裂韧度的变化规律进行统计分析。得出如下结论:①巷道内预制裂纹的扩展速度随着动态加载高度的增加而增大,随后逐渐趋于稳定,实测裂纹扩展速度略小于0.38倍砂岩纵波波速;②巷道内预制裂纹的起裂时间,随着动态加载率的增加呈缓慢下降的趋势,降低幅度范围约为50μs;③随着动态加载率的增加,巷道内裂纹的动态起裂韧度逐渐增大,上升趋势也逐渐加大。     

单晶γ-TiAl合金中裂纹沿[111]晶向扩展的分子动力学研究

为了从微观角度探索γ-TiAl合金中特定晶向的裂纹扩展机理,研究了γ-TiAl合金中[111]晶向微裂纹扩展的过程及其断裂机理。首先在单晶γ-TiAl合金中预置[111]晶向的微裂纹,然后通过分子动力学方法模拟该裂纹的扩展过程,最终分析了裂尖原子组态变化、微裂纹扩展路径以及应力-应变情况。研究表明,该晶向的微裂纹不是沿直线扩展,而是启裂时裂尖发生偏转,表现出明显的取向效应;微裂纹以裂尖发射滑移位错以及裂尖上形成孪晶的方式进行扩展;受边界的影响,微裂纹扩展到一定阶段会在边界位错堆积处萌生子裂纹,且扩展机制与主裂纹类似;在两个裂纹尖端发射滑移位错的相互作用下,在主裂尖前端再次萌生子裂纹,最终主、子裂纹相连导致断裂;微裂纹扩展过程中的应力分布主要集中于裂尖和扩展过程中形成的孪晶面上,并且随着微裂纹的扩展,裂尖应力值随时间的增大而减小。