X70管道钢裂纹尖端张开角的试验研究

高压富气输送管道要求发展管道钢的裂纹尖端张开角(CTOA)的测试方法。采用准静态的撕裂过程和长裂纹扩展长度试件,进行了X70管道钢的裂纹扩展试验,用摄像机跟踪拍摄裂纹扩展全过程,从获得的照片上直接测量出裂纹扩展全过程的CTOA值,分析了裂纹扩展中的断裂力学行为。试验结果表明:试件的韧带厚度越小,越容易获得稳定的扩展过程,且稳态裂纹扩展的CTOA值随试件韧带厚度的增加而增大,太厚的试件不易得到稳态扩展过程。韧带厚度为4mm、8mm试件的稳态的裂纹扩展阶段分别为7.6°、11.3°,裂纹扩展长度与韧带厚度比在4―25、4―10之间。     

面外约束对韧性材料的断裂韧度的影响

与脆性断裂的断裂韧度随厚度的增加而逐渐趋近于一个常数的变化趋势不同,韧性较好材料的弹塑性断裂韧度的特征为:在一定范围内随着厚度的增加,弹塑性断裂韧度逐渐增加。主要研究在保持试件的面内约束(a/w)保持不变的条件下,面外约束(厚度的变化)对同种材料的试件的断裂韧度的影响。首先采用韧性较好的材料进行断裂韧性实验,通过实验得到结果:试件的弹塑性断裂韧度J积分及临界裂纹尖端张开位移CTOD随着试件厚度的增加而线性增加。然后从能量平衡的角度出发,考虑在裂纹扩展过程中的所有的宏观能量耗散机制,根据通过实验验证的假设,化简后,得到最终的结果:一定程度上表征能量耗散的断裂韧度随着厚度的增加而增加,与实验结果吻合得较好。     

δ_5间接测量法测试管线钢止裂韧性CTOA试验研究

为解决多数实验室不具备δ5专用夹式引伸计而无法实现δ5间接测量法对裂纹尖端张开角CTOA的测试问题,该文另辟蹊径借鉴直接法测试CTOA中的数值图像相关方法,通过工业摄像机采集试样撕裂过程图像,然后在图像上直接测试δ5和裂纹扩展量Δa,进而求得裂纹尖端张开角CTOA。采用该方法重点测试3件X80管线钢试样的稳态裂纹扩展阶段临界CTOA值(CTOA)c,并依据试验断裂形式从原理上分析试验结果的有效性,确认被测X80管线钢的(CTOA)c为10.32°。     

纤维和颗粒增强复合材料中的裂纹扩展

颗粒和纤维增强复合材料中的裂纹扩展,是用双扭试件(Double—Torsion)在扫描电子显微镜下,直接观察裂纹扩展,并同时进行力学测量的方法来进行研究的。这些结果加深了对裂纹尖端应变场、裂纹扩展机理和影响复合材料韧性因素等的理解。      

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。     

预制疲劳裂纹应力强度因子幅对超高强度钢断裂韧度的影响

采用多试样法对D406A超高强度钢进行了准静态断裂韧度KⅠC试验,分析了不同应力强度因子幅预制疲劳裂纹对疲劳预裂纹扩展周期、疲劳预裂纹扩展速率、试样断口形貌以及最终断裂韧度试验结果的影响。结果表明:疲劳预裂纹扩展周期和扩展速率均与应力强度因子幅呈指数变化规律,断口上的疲劳裂纹间距及最终断裂韧度试验结果均随应力强度因子幅的增大而增大,在材料断裂韧度KⅠC的20%~30%选择最大应力强度因子进行KⅠC试验结果较为稳定。     

单边切口薄板研究聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料断裂韧性

利用单边切口薄板对配制的聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料进行单轴直接拉伸试验研究,得到硬化的荷载-裂缝张开位移全曲线。通过试验观察到缺口尖端处出现呈发散状的多条微小裂纹,部分试件在远离切口处还有多条裂缝出现,并不像混凝土或水泥净浆这类半脆性、脆性材料只有单条裂缝并沿着单条路径开裂,因此,适用于应变软化材料的双K断裂理论以及断裂能理论不能直接用在应变已经发生假硬化的材料中。鉴于上述原因,该文提出起裂断裂韧度和耗散能两个韧性评价指标。     

弹性地基上的4ENF试件柔度分析

基于Timoshenko梁理论,考虑了剪切变形和裂纹尖端变形的影响,建立了双参数弹性地基上的II型加载末端切口四点弯曲试件(4-point bending end-notched flexure specimen,简称4ENF)的柔度和能量释放率模型(BEF)。4ENF柔度与裂纹长度成正比,柔度变化率、能量释放率与裂纹长度无关,因而4ENFII型断裂实验无需测量裂纹的扩展长度,根据临界荷载便可求得临界能量释放率,从而大大简化了实验手段。对FRP-木4ENF试件II型加载情况下的BEF模型、Timoshenko梁理论模型和有限元结果比较证明:BEF模型的4ENF柔度在裂纹扩展的一定范围内与有限元吻合很好;而Timoshenko梁理论模型的柔度小于有限元结果,精度较差。该模型可用于复合材料界面断裂分析、确定断裂参数以及作为断裂试验数据分析的依据。     

半圆盘构件冲击断裂特性的动态焦散线实验研究

采用动态焦散线实验系统,对有机玻璃（PMMA）在冲击载荷下的I型和I-II混合型裂纹在起裂和扩展时的动态断裂特性进行了研究。结果表明：随着PMMA由I型断裂转变为I-II混合型断裂,从落锤作用在试件上到裂纹起裂所需时间不断增加,说明裂纹起裂需要的能量有所增加,同时从裂纹起裂到最终贯通所需时间不断减少,说明裂纹平均扩展速度也不断增大;在I型断裂中,PMMA的断裂韧度KIC为2.04 MN/m3/2,而在I-II混合型断裂中,PMMA的断裂韧度KIC低于I型断裂时的断裂韧度KIC,但是KIIC有所增大;对于I-II混合型断裂,PMMA极限扩展速度约为366m/s,当达到极限扩展速度后,裂纹尖端出现微裂纹增韧现象,使裂纹的表面能迅速增大,随后裂纹的扩展速度迅速减小。     

落锤撕裂试验的发展及其在评价材料韧断止裂性能中的应用

综述了按GB/T 8363与API RP 5L3等标准所执行的铁素体钢落锤撕裂试验(DWTT)技术的发展概况及其在评价高强度、高韧性金属材料动态断裂性能,特别是在韧断止裂性能中的应用,如高等级管线钢、压力容器用钢以及高止裂性能船板用钢等。具体而言,第一代DWTT试验机具有较高打击能量冲断试样暴露断裂面,仅用于评价设定温度断口剪切面积分数pSA指标;第二代试验机可实测试样的DWTT吸收能,是夏比冲击技术在大尺寸试样与实物性能评测中的重要拓展;第三代试验机具备仪器化测力分析功能,可结合弹塑性断裂力学原理开展动态断裂性能评价,特别是评估管线钢的临界裂纹尖端张开角度指标,即ψCTOA,c。     

NiTi合金动态断裂过程的实验和数值方法研究

为获得Ni Ti合金的动态起裂韧度和动态扩展速度与动态加载率之间的定量变化规律。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统对单边三点弯曲试样(SENB)进行冲击加载试验,采用实验-有限元相结合的方法,获得动态断裂参数随时间的变化规律。SENB试样裂纹起裂时刻和裂纹扩展速度由粘贴在裂纹尖端的裂纹扩展计(CPG)测定。采用上述方法和数据获得Ni Ti合金的I型动态起裂韧度和动态扩展速度。实验结果表明:裂纹扩展计测得的起裂时刻与粘贴在同一试样上的监裂应变片测得的结果基本相符,因此可以利用裂纹扩展计代替传统的监裂应变片来监测裂纹起裂时刻,并获得Ni Ti合金的起裂韧度。同时,可以利用裂纹扩展计(CPG)获得裂纹动态扩展过程,绘制出裂纹扩展速度与时间的关系曲线,从而探讨Ni Ti合金的动态断裂韧度和裂纹扩展速度与动态加载率之间的定量变化规律。     

全级配混凝土I型裂缝扩展全过程数值模拟

该文将起裂断裂韧度作为裂缝扩展的判定依据,应用ANSYS软件,对全级配混凝土I型裂缝扩展过程进行数值模拟,分别计算了混凝土楔入劈拉试件的荷载-裂缝口张开位移曲线、临界裂缝长度和双K 断裂韧度,并与溪洛渡大坝的断裂试验结果进行比较,吻合良好。同时,结合试验数据,将该文计算结果与《水工混凝土断裂试验规程》规定的标准尺寸试件断裂参数计算结果进行对比。结果表明:规程规定的方法也适用于大尺寸非标准试件双K 断裂参数的计算,其误差率在5%以内。此外,对于全级配混凝土,只要通过试验测得其弹性模量、抗拉强度、抗压强度和起裂荷载,即可用该文提出的方法计算混凝土的双K 断裂韧度和裂缝扩展全过程。应用该方法还可以得到全级配混凝土的K_R阻力曲线。     

聚丙烯纤维水泥稳定碎石断裂性能试验研究

通过30个尺寸为100mm×100mm×515mm的聚丙烯纤维水泥稳定碎石和普通水泥稳定碎石三点弯曲试件断裂试验,探讨了聚丙烯纤维对水泥稳定碎石断裂韧度(KIC)、断裂能(GF)、临界裂缝嘴张开位移(CMODC)、临界裂缝尖端张开位移(CTODC)、极限裂缝嘴张开位移(CMODmax)和极限裂缝尖端张开位移(CTODmax)的影响。试验结果表明:聚丙烯纤维的掺入可增大水泥稳定碎石的断裂韧度、断裂能、临界裂缝嘴张开位移、极限裂缝嘴张开位移、临界裂缝尖端张开位移和极限裂缝尖端张开位移;随着聚丙烯纤维体积掺量的增加,断裂韧度、临界裂缝嘴张开位移和临界裂缝尖端位移的变化无明显规律,但断裂能、极限裂缝嘴张开位移和极限裂缝尖端位移基本上呈线性增加的。     

X80油气管道焊缝双裂纹干涉效应多场耦合数值模拟方法

基于漏磁法检测管道焊缝理论,应用虚拟裂纹闭合法(Virtual crack closure technique,VCCT)提出一种流固磁多场耦合方法。以解决工程问题为例,由于实际管道中裂纹多以裂纹群的形式存在,因而应用该方法研究了X80管道焊缝共线双裂纹、环向对称双裂纹扩展问题。通过对管道焊缝内壁动态施加流体压力载荷,每完成一次裂纹增量扩展,重构网格,计算裂纹扩展进程中的特征量,包括管道内流体压力载荷P、裂纹尖端能量释放率GⅠ、扩展长度L、裂纹尖端张开角度CTOA、磁感应强度分量峰值Bxp,循环进行裂纹扩展和磁场分析。数值算例结果表明:共线双裂纹的干涉效应加速了裂纹扩展进程;环向对称双裂纹间距较大时,加速了裂纹扩展进程,当环向间距小于或等于0. 5倍的焊缝环向弧长的双裂纹时,由于双裂纹干涉效应,双裂纹的存在抑制了裂纹的扩展。该方法的实现可为指导实际X80管道安全评估提供理论依据。     

含不同张开角度裂纹结构的动态断裂试验研究

不同结构的动态断裂行为受多个因素影响,其中裂纹缺陷对其影响最为显著。张开型裂纹是工程结构中十分常见的缺陷,而且张开角度往往并不固定。为研究结构的运动裂纹与不同预制角度裂纹相互作用的规律,以张开角度为单一变量,采用动态焦散线试验系统,在冲击荷载下对含不同张开角度裂纹的有机玻璃试件进行三点弯试验。研究发现：裂纹扩展经过不同张开角度的预制裂纹时,都会先扩展至预制裂纹夹角尖端,再从预制裂纹其中一端重新蓄能起裂,然后偏向落锤点方向扩展,最终贯穿整个试件;开口向上的预制裂纹会增加运动裂纹的扩展时长,而且预制裂纹的开口角度越大,对裂纹扩展产生的迟滞效应越大,裂纹贯穿试件的总时长越大;与预制裂纹相互作用阶段,动态裂纹都会先减速后增速至峰值,预制裂纹角度越大,裂纹扩展速度峰值越小,且当预制裂纹角度为180°时的峰值与无预制裂缝试件的峰值非常接近;运动裂纹再次从预制裂纹尖端处起裂时裂纹尖端应力强度因子迅速大幅增加后又迅速减小直至试件完全断裂。     

混凝土非线性断裂韧度G_(Ic)及其尺寸效应

就混凝土而言，在裂缝失稳扩展前，由于裂缝尖端的微裂区而产生非线性变形并伴有裂缝的亚临界扩展。这种非线性变形与亚临界扩展，使混凝土材料在断裂前吸收更多的能量。本文从试验得出的荷载－位移的非线性曲线出发，求得了材料抵抗裂缝扩展的非线性断裂韧度，并探讨了试件缝高比及高度对的影响。     

混凝土、纤维混凝土的Ⅰ型断裂

本文论述求混凝土、纤维混凝土试件在小于断裂荷载的外力作用下,裂纹的非线性扩展及如何用它来确定材料的断裂韧度。另介绍了作者提出的纤维混凝土的一般拉伸软化曲线及分析裂纹构件最大断裂荷载的有关方法。     

双悬臂梁试件裂纹动态扩展的准静态数值分析

本文采用双悬臂梁（DCB）试件研究了复合材料层合板层间插入韧性胶膜（Interleaf）层的Ⅰ型断裂行为。试验结果表明,含和不含Interleaf层试件分别呈现脆性非稳态和脆性稳态分层扩展特性。针对非稳定裂纹扩展问题,依据动态断裂力学中应变能释放率与动能变化率的关系,提出了以断裂韧性值G_IC变化来抵消动能变化对裂纹扩展过程影响的准静态分析方法,根据试验中裂纹扩展的韧性变化,推导出适用于准静态裂纹扩展模拟的等效韧性G_IC*,利用ABAQUS平台和虚裂纹闭合技术（VCCT）建立了三维有限元计算模型;实现了从起裂到止裂的整个裂纹动态扩展过程的数值模拟,揭示了非稳定裂纹扩展过程中一些复杂的力学现象。      

纯Ⅰ型加载条件下有机玻璃中心切口圆盘断裂的尺寸相关性

采用直槽式和尖槽式中心切口圆盘试件,对有机玻璃在纯Ⅰ型准静态加载条件下的断裂行为进行了实验研究.结果表明,中心切口圆盘试件的切口形状对断裂行为和断裂韧度的测试结果有显著的影响.直槽切口偏离理想裂纹,裂纹起裂始于切口端部的角点,实测的断裂韧度值偏高且具有尺寸相关性;尖槽切口接近理想裂纹,裂纹起裂始于尖角的顶点,实测的断裂韧度不存在尺寸相关性,即是材料常数.     

西气东输管道裂纹的韧性减速机理研究

将动态断裂力学的基本原理、基本方法和止裂判据与壳体动力学的有限元方法相结合,形成了求解输气管道裂纹扩展问题的数值分析方法。对于高韧性钢,塑性功卸载引起的热耗散不可忽略。为此根据瞬态裂纹扩展条件下的整体能量平衡方程,在有限元中构造了求解瞬时速度的迭代算法。其中以材料的热耗散比率为主要构成的动态断裂韧性由实验测得,在计算中作为裂纹扩展速度的函数代入,形成韧性减速机理。为了给出计算需要的参数,推导了双试件DWTT法测定热耗散比率的公式。