小范围屈服条件下复合材料裂纹尖端塑性区分析

基于复合材料力学,推导Tsai-Hill强度准则在平面应力和平面应变条件下的一般表达式,得到了小范围屈服条件下,含中心裂纹无限大板Ⅰ型裂纹、Ⅱ型裂纹和Ⅰ/Ⅱ复合型裂纹尖端塑性区的解析解。针对不同裂纹倾角及泊松比 和,对裂尖塑性区进行了计算和分析。结果表明平面应变条件下塑性区范围小于平面应力条件下塑性区范围,参数、和 对复合材料裂尖塑性区范围和形状有明显的影响,不同的参数值得到的塑性区结果差别很大。另外,该解既适用于各向异性复合材料,也适用于各向同性材料。     

基于统一强度理论的断裂准则

基于统一强度理论,在小范围屈服条件下,推导Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹裂尖塑性区范围的统一解析解。给出不同拉压比α、泊松比υ、中间主应力影响参数b以及裂纹倾角β下的一族塑性区形状与大小的轨迹,讨论以上参数对裂尖塑性区变化的影响。最后基于裂纹尖端塑性区的解析解,提出了一种复合型裂纹断裂准则,分析了裂纹倾角与初始断裂角的关系。结果表明,该准则预测结果比其它准则更精确,与试验结果吻合得非常好。     

用于高韧性材料Ⅰ—Ⅱ复合型断裂的多剖面法

本文根据韧性金属的断裂机理和裂纹尖端延伸区尺寸与断裂参量的关系提出了适用于高韧性材料Ⅰ—Ⅱ复合型断裂问题的多剖面法,可用来同时确定裂纹断裂角和裂纹尖端张开位移矢量的启裂值。本文用这种方法进行了双轴受载含倾斜裂纹的16MnR钢十字形试件的复合型位移断裂参量的测试。     

三维准静载弹塑性弯曲裂纹塑性区

主要研究准静载荷作用下的三维弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区问题。综合考虑了准静作用应力,三维塑性区域边界上正应力与剪应力,利用二阶摄动方法计算了三维弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区。用数值解法计算出三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区于裂纹直线部分延长线上的投影长度,作图分析了三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸与三维裂纹体几何尺寸之间的变化关系。三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区随着三维裂纹体厚度的增大而减小,随着三维裂纹体厚度的均匀增大,三维弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸不断减小,减小的幅度越来越小,最终趋于平面应变状态下的弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸。当三维裂纹体几何尺寸相同时,三维弯曲裂纹尖端塑性区尺寸随外载荷的不断增大而逐渐增大。建立了一个计算三维弹塑性弯曲裂纹塑性区尺寸的崭新理论模型。     

幂硬化对准静载弹塑性弯曲裂纹塑性区的影响

主要研究准静载荷作用下的硬化材料弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区问题。综合考虑了准静作用应力,塑性区域边界上正应力与剪应力,利用二阶摄动方法计算了硬化材料弹塑性弯曲裂纹尖端的塑性区。用数值解法计算出弹塑性弯曲裂纹尖端硬化塑性区于裂纹直线部分延长线上的投影长度,作图分析了弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸与材料硬化指数之间的变化关系。在幂硬化材料中,弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区随着材料硬化指数n的增大而减少,当n等速均匀增加时,弹塑性弯曲裂纹尖端塑性区尺寸加速减少,减少的幅度越来越大。当材料的硬化指数相同时,弯曲裂纹尖端塑性区尺寸随外载荷的不断减小而逐渐减小。建立了一个计算硬化材料弹塑性弯曲裂纹塑性区尺寸的崭新理论模型。     

Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹断裂机理与断裂准则的研究

本文采用四点弯曲试件考察了常用韧性材料16MnR钢中Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的断裂机理。实验测定了裂纹扩展方向和裂纹尖端位移参量的启裂值；与此同时，采用有限元程序计算了试件中复合型裂纹尖端邻域的应力、应变场，分析了各种控制空洞成核的力学参量的几何分布曲线，结合实验研究和有限元分析表明，Ⅰ-Ⅱ复合型断裂存在两种不同的断裂机理，它们的发生取决于Ⅰ-Ⅱ复合型载荷比的大小，当Ⅱ型载荷分量小于一临界值时、断裂为张开型．裂纹扩展方向与本文的бm峰值线准则一致；而当Ⅱ型载荷分量大于此临界值时，断裂表现为不稳定的剪切型断裂。     

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等σ_θε_θ线体积应变能断裂准则

Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展问题是工程断裂问题中常见的问题,也是断裂力学研究中重要的问题之一。基于复合型裂纹尖端附近等σθεθ线包围区内的体积应变能变化,建立了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹等σθεθ线体积应变能断裂准则,提出了裂纹开裂角公式和断裂扩展条件。应用该断裂准则分别研究了纯Ⅰ型、纯Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的开裂角及断裂韧度比随着泊松比的变化规律。此外,给出了复合型裂纹荷载临界比值随裂纹初始角β的变化规律。最后将研究结果与理论预测值和实测值进行了对比,对比结果表明提出的复合型断裂准则物理意义明确,且具有较好的精度。     

金属材料断裂核区的确定与对最大切向应力断裂准则的修正

应用于复合型断裂的三种主要准则（Ｇ－准则，σθ－准则及Ｓ－准则）都假定断裂核区是一个圆域，其圆心在裂纹类端。某个适当的力学参量沿半径为ｒ的圆周计算，并认为在此圆周上这一力学参量的数值决定裂纹的扩展。但是精确的ｒ值对今未被严格的定量确定。本文根据Ｔｈｅｏｃａｒｉｓ（１）提供的方法，应用Ｍｉｓｅｓ屈服准则，屈服准则，引入初始弹－塑性边界来确定断裂核区，并将裂纹尖端的切向应力σθ沿初始弹－塑性边界计算，     

用光塑性方法研究I-Ⅱ复合型裂纹尖塑性区

用光塑性模型材料聚碳酸酯, 制成中心斜裂纹板试样,进行了光塑性试验, 研究了1-Ⅱ复合型裂纹尖塑性区.探讨了裂纹倾斜角、裂纹长度和试样厚度对塑性区尺寸的影响.     

用光塑性方法研究Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹尖塑性区

用光塑性模型材料聚碳酸酯, 制成中心斜裂纹板试样，进行了光塑性试验, 研究了1—Ⅱ复合型裂纹尖塑性区。探讨了裂纹倾斜角、裂纹长度和试样厚度对塑性区尺寸的影响。     

铝合金板材中心孔裂纹尖端塑性区数值计算

通过有限元对铝合金板材中心孔裂纹尖端处塑性区模拟计算,说明在裂纹尖端产生了较大的塑性区,并相应地计算出塑性区的大小。本文通过有限元模拟2124铝合金板材中心孔裂纹扩展情况。铝合金材料为典型的脆性材料,2124铝合金板材在疲劳加载情况下会先进行弹性形变,达到屈服强度后进行塑性形变。本文对2124铝合金板材进行有限元模拟时,先采用线弹性模型,计算裂纹扩展的应力强度因子,然后采用弹塑性模型,计算裂纹尖端的塑性区大小,从而进一步对裂纹尖端应力强度因子进行修正。在建立有限元模型时,以二维的Ramberg-Os-good（R-O）本构为基础,采用参数化的方式,这样是为了可以更好地对有限元程序进行调试。在有限元网格划分时,由于在相同精度下四边形单元的计算效率是三角形单元的几倍,所以采用四边形单元,提高计算精度。有限元建模时,采用plane42、solid 45和solid 95三种单元,plane42单元用于建立2D网格,solid45单元用于建立3D网格,而solid95单元则是用于引入奇异单元。同时,由于试样模型对称性,所以取1/4模型来进行计算。在计算裂纹尖端应力强度因子及塑性区大小时,采用恒ΔK方式和增ΔK两种加载方式来进行计算。首先在恒ΔK下,计算出相应的应力强度因子,其值和理论值相吻合,同时观察得到的塑性区形状与理论形状相似,计算塑性区尺寸大小,首先证明有限元程序的正确性。进一步有限元模拟计算在增大ΔK情况下不同预裂纹长度下塑性区的变化情况。经过有限元计算得到的塑性区尺寸大小,最后可以近似用经验公式表达。     

Optimisation Method for Determination of Crack Tip Position Based on Gauss-Newton Iterative Technique

In the digital image correlation research of fatigue crack growth rate,the accuracy of the crack tip position determines the accuracy of the calculation of the stress intensity factor,thereby affecting the life prediction.This paper proposes a Gauss-Newton iteration method for solving the crack tip position.The conventional linear fitting method provides an iterative initial solution for this method,and the preconditioned conjugate gradient method is used to solve the ill-conditioned matrix.A noise-added artificial displacement field is used to verify the feasibility of the method,which shows that all parameters can be solved with satisfactory results.The actual stress intensity factor solution case shows that the stress intensity factor value obtained by the method in this paper is very close to the finite element result,and the relative error between the two is only-0.621％;The Williams coefficient obtained by this method can also better define the contour of the plastic zone at the crack tip,and the maximum relative error with the test plastic zone area is-11.29％.The relative error between the contour of the plastic zone defined by the conventional method and the area of the experimental plastic zone reached a maximum of 26.05％.The crack tip coordinates,stress intensity factors,and plastic zone contour changes in the loading and unloading phases are explored.The results show that the crack tip change during the loading process is faster than the change during the unloading process;the stress intensity factor during the unloading process under the same load condition is larger than that during the loading process;under the same load,the theoretical plastic zone during the unloading process is higher than that during the loading process.     

拉压载荷对疲劳裂纹扩展影响的有限元分析

利用弹塑性有限元方法研究了压应力对裂纹尖端塑性区的影响和长短裂纹尖端的塑性区和裂纹张开剖面.通过分析表明,压应力对裂纹尖端塑性区和疲劳裂纹的扩展有显著的影响.     

42CrMo4钢疲劳裂纹扩展时的残余应力及其变化

对４２ＣＣｒＭｏ４钢质调质试样疲劳裂纹扩展时的表面残余应力测定表明，在裂纹尖端前方和裂纹两则一定范围生成残余应力，裂纹尖端处压应力最大。随着裂纹的扩展压应力范围增大，最大压应力增加，表明残余应力始终处于一动态再分布过程中，与裂纹尖端区域的塑性变形直接相联系。裂纹扩展时残余应力的真实分布状态，按理想模型已不能作出圆满描述。由于裂纹尖端塑性变形区较小，选用合适的Ｘ线光栅孔长测的残余应力较为真实。     

The effect of deformation anisotropy on the plastic zone at the tip of a crack under biaxial loading

A theoretical analysis for investigating the form and dimension of the plastic zone in the tip of a crack in a plate made from a material with deformation anisotropy is presented. The anisotropy is explained by the hardening process during plastic deformation caused by loading along a straight-line trajectory until a crack is formed in the plate plane. The idea of this method is to take into account the second term in the Williams’ series representation in eigenfunctions for stress components for the 2D case. The contribution of the second term in the Cartesian coordinate system is independent of the distance from the crack tip for the K ₁ − T concept. It is shown that for the case of anisotropy, the dimension of the plastic zone decreases. The stress along the crack’s axis changes the plastic zone significantly.     

复合型裂纹小范围屈服下裂尖塑性区统一解

采用俞茂宏统一强度理论,推导Ⅰ、Ⅱ复合型裂纹在小范围屈服条件下裂尖塑性区尺寸的统一解析解.给出材料参数在不同拉压比α、泊松比v和中间主应力影响参数b下的一族裂尖塑性区形状与大小的轨迹.讨论以上参数对裂尖塑性区变化的影响,其中拉压比α对塑性区影响较大,α≠1导致塑性区在裂纹上下表面处不连续,b=0和b=1分别对应裂尖塑性区的上限、下限边界.同Tresca准则、Mises准则的解进行比较分析,已有解均是它的特例或线性逼近,该理论解具有理论的统一性和对不同材料的普适性.     

基于红外热成像的镁合金疲劳裂纹扩展的研究

采用红外热成像技术监测疲劳裂纹扩展过程中试件表面温度的变化情况,对AZ31B镁合金板材室温下的疲劳裂纹扩展特征进行研究。分析疲劳裂纹尖端温升值与裂纹长度的对应关系,试件表面温度分布差异与裂纹扩展趋势的关系,探索镁合金材料疲劳裂纹扩展的规律。试验结果表明,疲劳裂纹扩展过程中,镁合金表面温度变化经过一个升温、降温的过程,在稳定扩展阶段,温度变化不大,在快速扩展阶段,温度呈明显上升趋势。三组试件最高温升值分别为A试件10.89℃、B试件15.19℃、C试件12.37℃。裂纹尖端及其附近组织观察发现,裂纹尖端发生转向,裂纹总体为穿晶断裂,并伴随少量沿晶断裂,在裂纹附近区域有少量塑性变形。疲劳试件表面的最高温度区域与材料的疲劳损伤机制相关,该区域对应材料的应力集中区,是疲劳微裂纹形成与扩展的部位,温度变化与试件的最终断面相吻合。     

力学性能不均匀性对焊接接头三点弯曲试样塑性区发展规律的影响

利用弹塑性有限元方法对焊接接头试样在三点弯曲试验中塑性区的发展情况进行了计算。分析了不同的裂纹深度、强度组配，焊缝宽度以及不同位置裂纹的焊接接头试样对塑性区形状发展的影响规律。分析结果显示，不同强度组配和几何特征的焊接接头试样对裂纹尖端塑性区的发展规律有较大的影响，由于裂纹尖端拘束程度的不同会造成塑性区的形状和尺寸的改变，因此在做焊接接头试样三点弯曲试验时，可能会得出与均质材料试样不同的驱动力曲线