倾斜疲劳裂纹在混合型应力下张开及滑移特性

对于存在裂纹的机械零件或者构件,它很有可能会受到来自不同方向的作用力, 因此有必要研究裂纹在混合型应力条件下的传播特性. 该文使用具有不同倾斜角度的裂纹--这些裂纹是在应力比R=0的Ⅰ型循环应力下制作的,通过测量裂纹的开口方向和滑移方向的位移量,计算了裂纹端部Ⅰ型应力强度因子(KⅠ)mes和Ⅱ型应力强度因子(KⅡ)mes.裂纹的倾斜角度是指载荷方向与裂纹间的夹角.结果表明,对于存在压缩残余应力的疲劳裂纹,当倾斜角度较大,即β=60°时,应力强度因子的实验值(KⅠ)mes小于理论计算值(KⅠ),但此时实验值(KⅡ)mes与理论值(KⅡ)基本一致.另一方面,对于倾斜角度较小β=45°的疲劳裂纹,其(KⅠ)mes减少的同时,由于裂纹上下表面相互接触,从而导致(KⅡ)mes同时下降.     

倾斜裂纹的应力分布与裂纹面开口位移的关系

由于存在裂纹的机械结构的受力方向未必与裂纹方向相垂直,有必要研究裂纹在混合型应力条件下的应力分布及位移特性,而实际机械结构的形状往往很复杂,直接测得裂尖前沿的应力分布是很困难的.为此,在应力比为零的I型循环应力下制作倾斜角度为45°的裂纹,通过测量裂纹面的开口位移,计算得到了裂尖张开方向的应力分布和滑移方向的应力分布.对实验中试件和裂纹的实际尺寸进行了有限元模拟计算.通过比较实验和模拟计算结果,分析了在混合型应力条件下影响裂纹面开口位移特性的因素.结果表明,裂纹表面的凹凸不平导致的接触会影响裂纹面（特别是裂尖处）的滑移变形;当裂纹张开方向的变形较小时,随着裂纹表面接触面积增加,裂纹滑移方向的变形阻力增大,这种影响表现得更为突出;相反,裂纹表面接触对裂纹张开方向的变形却起到了促进的作用;另外,由于压缩残余应力的作用,疲劳裂纹的张开位移受到制约.     

Ⅰ-Ⅱ型裂纹发展的剪应力准则研究

将Ⅰ-Ⅱ型裂纹表面的剪应力引入裂尖应力强度因子的计算,获得了含中心闭合裂纹在不同裂纹长度、倾角以及摩擦系数下裂纹尖端的应力强度因子值。引入等径向剪应力线τrθ这一概念,在预测裂纹发生临界扩展时提出以下两个假设：闭合裂纹将沿着等τrθ线上双剪应力和最小的方向扩展;裂纹尖端的应力强度因子KⅡ达到材料的临界值KⅡc,裂纹将开始扩展;建立了Ⅰ-Ⅱ型闭合裂纹的剪应力准则。利用所建立的断裂判据计算求得的临界起裂角鼠与各种经典复合型断裂准则计算裂纹起裂角的结果较为接近,将其应用于Ⅰ-Ⅱ型裂纹的断裂判定是安全的。     

基于ABAQUS二次开发的巴西圆盘断裂机理

针对含中心裂纹的巴西圆盘开裂模型利用ABAQUS进行了参数化二次开发，基于扩展有限元法和最大周向应力准则对试件裂纹扩展进行数值模拟并验证，研究了围压对裂纹扩展以及裂纹尖端应力强度因子和T应力的影响.研究结果表明，试件在预制裂纹尖端发生起裂并沿最大周向应力方向扩展.随着裂纹倾角增大，Ⅰ型应力强度因子逐渐减小，Ⅱ型应力强度因子呈现先增大后减小的趋势，T应力逐渐增大.随着围压数值的升高，试件的断裂韧度增大，T应力增大，而Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子几乎不受影响.     

基于有限元法的表面疲劳裂纹扩展模拟

基于有限元法模拟了受远场拉伸和弯曲载荷有限厚度平板的表面疲劳裂纹扩展。裂纹体网格由等参奇异单元构成,裂纹体和非裂纹体之间采用多点约束连接不匹配的节点;采用1／4节点位移法计算应力强度因子,根据Paris公式计算裂纹扩展增量,三次样条插值函数描述裂纹前沿;自编软件实时跟踪裂纹扩展。计算得到的应力强度因子与Newman和Raju的经验公式结果比较,符合良好。     

高强度钢随机载荷下裂纹扩展模型

工程结构在全寿命周期内大多都承受随机载荷作用，随机载荷中载荷顺序对裂纹扩展有显著影响．用基于裂纹闭合现象的裂纹扩展模型依次模拟恒幅载荷、过载峰及随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展．通过裂纹张开应力反映裂纹闭合效应，将Paris公式计算疲劳裂纹扩展，将有效应力强度因子范围代入Paris公式中计算，并用高强度钢程序块载荷下疲劳实验结果与计算结果比较．结果证明，基于裂纹闭合现象的裂纹扩展模型能很好地模拟随机载荷下的疲劳裂纹扩展，理论计算结果与试验结果相吻合，具有工程实用价值．     

Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展门槛条件的实验研究

本文研究三种金属材料在Ⅰ-Ⅱ复合加载条件下疲劳裂纹扩展的门槛条件。应用切口试样和预裂试样测试了疲劳裂纹扩展的门槛值和破坏曲线,并对实验结果同其他实验和理论准则进行了对比,论证了在Ⅰ-Ⅱ复合载荷条件下可将切口试样的破坏曲线作为工程设计的依据。     

考虑接触的斜裂纹动态应力强度因子分析

为了研究含中心穿透斜裂纹的有限板在拉伸冲击载荷下裂纹尖端的动态应力强度因子,本文采用有限元方法建立模型进行系列分析。裂尖的应力奇异性通过1/4节点奇异单元来模拟,应用相互作用积分法计算动态应力强度因子,考虑了裂纹面接触作用、冲击载荷形式、裂纹长度、裂纹角度及裂纹位置等参数的影响,并给出了接触应力随时间的变化曲线。数值结果表明:裂纹面的接触作用可消除负的Ⅰ型动态应力强度因子,接触刚度比摩擦系数的影响明显,载荷形式在总冲量不变的情况下对动态应力强度因子的影响也非常大,而裂纹长度等裂纹参数对Ⅰ型动态应力强度因子的影响比Ⅱ型显著。     

整体机身结构纵向裂纹转折与止裂特性分析

对某试验型整体机身壁板纵向裂纹损伤容限试验件的止裂特性和裂纹转折现象进行了计算和分析。借助有限元软件ABAQU S,计算了不同蒙皮纵向裂纹长度下的应力强度因子KⅠ、KⅡ和T-应力等,在此数据基础上,应用线弹性断裂力学准则和线弹性断裂力学加塑性修正准则,计算了剩余强度特征曲线,对2种准则做了对比分析,对两跨裂纹时的止裂特性进行了分析。最后,应用裂纹转折的二阶线弹性理论,对两跨内纵向裂纹在扩展过程中的裂纹转折现象进行了计算和分析。     

在压缩载荷作用下Y型分支裂纹的实验与数值研究

裂纹的存在极大地影响了材料的力学性能。通过光弹实验和数值分析方法,计算和分析了Y型分支裂纹在压缩载荷作用下裂纹尖端的应力强度因子。实验和数值计算结果表明:分支裂纹周围的等差线条纹基本上对称;分支裂纹与主裂纹的倾角从0°～90°不断变化对主裂纹尖端的应力强度因子影响很小,但使分支裂纹的应力强度因子KI不断减小,而KⅡ则先逐渐增大然后逐渐减小,在45°～60°之间取得极值;同时分析了侧压力对分支裂纹的影响,计算表明,侧压力的逐渐增大使分支裂纹的应力强度因子KI不断增大,而KⅡ则不断减小直到为零。     

圆柱壳周期阵列压痕应力强度因子

当柱壳平端刚性压头作用在同形的弹性基体表面时,在基体上生成一个平面压痕,同时在压痕边界处的近表面诱生奇异应力场,该奇异应力场的奇异性与裂纹尖端I-型应力场的奇异性同价,使平面压痕的表面产生断裂型开裂。利用当量裂纹法给出圆柱壳周期阵列压痕的应力强度因子。     

各向异性复合材料周期性Ⅱ型裂纹尖端应力分析

对各向异性复合材料板的周期性Ⅱ型裂纹尖端应力场进行了有关的力学分析,通过求解一类线性偏微分方程的边值问题,引入Westergaard应力函数、采用复变函数方法及待定系数法,给出在无穷远处受对称载荷τ作用下,周期性Ⅱ型裂纹尖端的应力强度因子,推出了各向异性复合材料板周期性Ⅱ型裂纹尖端附近应力场的理论计算公式。     

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

含裂隙水预制平面裂隙的启裂理论与试验验证

为研究含裂隙水预制平面裂隙的启裂特性,分别对裂隙张开和闭合两种情况进行理论分析和试验验证。详细阐述裂隙尖端应力强度因子和张开型裂隙启裂角度和启裂强度的理论计算方法,并给出压缩条件下闭合裂隙的起裂强度公式。制作了预制有张开型贯穿裂隙的水泥砂浆试件,进行双轴压缩试验。通过试验对比分析探讨裂隙尖端应力强度因子与裂隙启裂角度随裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的变化规律,以及裂隙启裂强度与水压力和侧压的关系。结果表明:含水压张开型裂隙Ι型应力强度因子随裂隙倾角的增加而增加,在裂隙倾角为75°时最容易发生Ι型(扩展型)裂纹,随水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小。剪切型裂隙ΙΙ型应力强度因子随裂隙倾角呈对称分布,在裂隙倾角为45°处取得最大值,与水压力和裂隙尖端曲率半径无关。张开型裂隙的启裂角度随着裂隙倾角、水压力和裂隙尖端曲率半径的增加而减小;启裂强度与水压力成反比,与侧压成正比。本研究结果可为岩土工程中渗透水压作用下裂隙的启裂扩展研究提供参考。     

Effect of crack face contact on dynamic stress intensity factors for a hole-edge crack

In order to determine the dynamic stress intensity factors(DSIFs)for a single edge crack at the center hole of a finite plate under a compressive step loading parallel to the crack,the finite element method was employed to solve the cracked plate problem.The square-root stress singularity around the crack tip was simulated by quarter point singular elements collapsed by 8-node two-dimensional isoparametric elements.The DSIFs with and without considering crack face contact situations were evaluated by using the displacement correlation technique,and the influence of contact interaction between crack surfaces on DSIFs was investigated.The numerical results show that if the contact interaction between crack surfaces is ignored,the negative mode I DSIFs may be obtained and a physically impossible interpenetration or overlap of the crack surfaces will occur.Thus the crack face contact has a significant influence on the mode I DSIFs.     

各向异性复合材料周期性Ⅰ型裂纹尖端应力分析

对各向异性复合材料板的周期性I型裂纹尖端应力场进行了力学分析.通过求解一类线性偏微分方程的边值问题,引入Westergaard应力函数,采用复变函数方法及待定系数法,给出在无穷远处受对称载荷σ作用下,周期性I型裂纹尖端的应力强度因子,推出了各向异性复合材料板周期性I型裂纹尖端附近应力场的理论计算公式.     

表面涂层裂纹的特性分析

采用有限元方法研究TiN涂层裂纹在弹性球循环挤压和滑动接触状态下的三维弹塑性特性,计算分析了涂层-基体的应力分布规律、涂层表面及界面裂纹的断裂强度。结果表明:在接触区边缘、涂层基体结合界面应力幅较大,容易萌生疲劳裂纹;裂纹强度J积分随载荷循环而呈周期性变化;涂层厚度、基体材料、裂纹形状、裂纹倾角等参数对涂层表面和界面裂纹的J积分有显著影响。