含裂纹板断裂韧度厚度效应的理论与应用

从理论角度对断裂韧度厚度效应进行了研究。在线弹性断裂力学与含裂纹板的二维位移场的基础上,给出分离变量型的具有待定函数的三维位移场的表达式,进而通过几何方程与物理方程获取三维应变场和三维应力场。进一步,通过虚位移原理,使用变分方法建立待定函数所应满足的支配方程与边界条件,从而确定待定函数。基于上述分析,建立一个断裂韧度与试样厚度关系的理论表达式。最后通过两种试验材料LY12CZ(L-T)与TC4(L-T)进行了验证。     

材料断裂韧度测试中的厚度效应

在以往的材料断裂韧度测试中，只考虑了对平面应变状态下试件厚度的限制（Ｂ≥２．５（ＫＩＣ／σＳ）２）；而对于非平面应变状态下材料断裂韧度测试中均没有考虑试件厚度的限制。本文从与厚度效应密切相关的应力三轴约束入手，导出了与应力三轴约束ＴＺ相关的裂纹扩展能量释效率Ｇ的表达式，进而得出了相应的测试材料断裂韧度的修正Ｒ曲线法。最后结合３０ＣｒＭｎＳｉＮｉ２Ａ钢断裂韧度的实测结果校验了理论分析结果。     

材料断裂韧度与试样厚度关系研究

研究试样厚度对材料断裂韧度的影响，通过采用格利菲斯表面能理论和巴林布拉特吸附力理论，结合达格代尔塑性准则，给出有关断裂韧度与试样厚度关系的数学描述。并通过两种试验材料LY12CZ（L－T）与TC4（L－T）进行了验证。     

含扩展裂纹板计及厚度效应的载荷—位移曲线解析闭合解

准确预测长寿命结构在其服役期内的剩余强度,是当前结构设计工程师面临的一个重大课题。而裂纹扩展过程中,精确的载荷—位移曲线将为这一问题的突破提供一种非常高效的方法。为此,在考虑厚度效应的断裂韧度与阻力曲线理论基础上,对含穿透裂纹板在裂纹扩展过程中的载—荷位移曲线进行理论与试验研究。用卡氏定理导出含驻止裂纹试件承受载荷作用时,外部载荷与试件中点挠度的关系表达式。引入计及厚度效应的断裂韧度与阻力曲线理论,导出裂纹扩展时试件中点处载—荷位移曲线的解析闭合解。进行准静载单调加载下的裂纹扩展试验。所得数据与由载荷—位移曲线解析闭合解得到的计算结果基本吻合,充分验证该解析闭合解的有效性。     

压力容器断裂韧度要求的预测

在弹塑性断裂双参数分析方法的基础上，导出了预测压力容器等重要工程结构断裂韧度ＣＴＯＤ要求的理论表达式。只要在实际结构服役条件下，材料断裂韧度高于该表达式要求的韧度值，就可防止结构的弹塑性断裂失效。同时，在该表达式中考虑了应力集中及焊接残余应力的影响，并表明断裂韧度要求随作用应力及板厚的增加而增加。最后给出了两个实例，以考核该理论表达式的实用性。     

厚钢板焊缝强度匹配对韧度影响的试验方法

提出了研究厚钢板焊缝强度匹配对韧度影响的试验方法：用“直接测量法”确定焊缝强度匹配系数；用裂纹尖端张开位移（CTOD）断裂韧度作为焊缝材料韧度的指标。用“直接测量法”确定了低合金高强钢S355ML钢板（厚65mm）自动埋弧焊和手工电孤焊的焊缝强度匹配系数，同时将这两项焊接工艺的对接焊缝制成全厚度断裂韧度试样，运用裂纹尖端张开位移试验方法测定其焊缝中心的断裂韧度。结果表明，厚钢板焊态对接焊缝，低匹配焊缝具有较高的韧度，高匹配焊缝的韧度比较低。     

单位阶跃函数在材料力学中的应用

在对梁的弯曲进行研究时，经常要用到弯矩方程。目前常用的弯矩方程表达式通常是一个分段函数表达式，这给理论研究带来了许多冗繁的工作。通过单位阶跃函数，可以把在集中载荷作用下的分段函数的弯矩方程表达式用一个整体方程表示出来，极大的简化了求弯曲变形的计算工作量，同时还具有一定的理论价值。     

初始制动时预测湿式制动器热对流特性的积分方法

湿式制动器对重型车辆安全具有关键影响，以湿式制动器摩擦副间隙的冷却液压油（Automotive transmission fluid，ATF）为研究对象，考虑车辆初始制动阶段流体的黏性摩擦和层流流动特征，利用积分方法建立了摩擦副流体的非稳态能量方程，并获得了能同时满足轴向和径向边界条件的三维温度和热流密度显式解析表达式，通过简化动量方程和多项式分布假设也获得了径向速度和压力的理论解，与以往试验对比表明，压力和温度解析解与试验结果具有较好的一致性，理论模型有望推广用于液黏离合器等其他HVD装置的ATF速度场、温度场和热流密度场的理论预测。     

三维压电陶瓷的断裂

基于三维压电陶瓷中的一般平片裂纹前沿的位移，应力和应力强度因子的表达式，求得局部机械能率，以此建立了压电陶瓷的断裂准则。作为特例，将此准则应用于二维问题，所得结果与已有结果基本一致。     

小圆孔球壳弹塑性解答

推导出了具有圆形小切口的物理非线性球壳的力学方程，得到了通过变分原理引出的确定边界条件下的位移场、形变场、应力及内力矩场的解析表达式。     

A bending theory for beams with vertical edge crack

In this paper a linear continuous theory for bending analysis of beams with an edge crack perpendicular to the neutral plane subject to bending has been developed. The model assumes that the displacement field is a superposition of the classical Euler-Bernoulli beam's displacement and of a displacement due to the crack. It is assumed that in bending the additional displacement due to crack decreases exponentially with distance from the crack tip. The strain and stress fields have been calculated using this displacement field and the bending equation has been obtained using equilibrium equations. Using a fracture mechanics approach the exponential decay rate has been calculated. There is a good agreement between the analytical results from solving the differential equation of cracked beam and those obtained by finite element method.     

双向载荷下威布尔应力参量的研究

以往对双轴断裂的研究多采用线弹性断裂力学参量且限于弹性材料，局部法理论提出了威布尔应力参量，威布尔应力作为度量脆性断裂概率的参量已广泛采用。为研究双向载荷对威布尔应力的影响，文中开发了威布尔应力计算程序并进行考核验证，以威布尔应力为参量，以ASTM A36钢中心裂纹板为研究对象，结合有限元分析方法，研究二维裂纹问题在不同双向载荷比下威布尔应力参量的变化规律，从而得到双向载荷对脆断概率的影响。计算结果表明，平面应力状态下，双向载荷对威布尔应力和脆断概率基本上没有影响；而在平面应变状态下，威布尔应力和脆性断裂概率随双向载荷比增大而增大。     

Numerical investigation of the stress field near a crack normal to ceramic-metal interface

Ceramic-metal interfaces are often present in composite materials. The presence of cracks has a major impact on the reliability of advanced materials, such as fiber or particle reinforced ceramic composites, ceramic interfaces and laminated ceramics. The understanding of the failure mechanisms is very important, as is as the estimation of fracture parameters at the tip of the crack approaching an interface and crack propagation path. A cracked sandwich plate loaded with axial uniform normal stress was numerically investigated using plane strain Finite Element Analysis. The numerical results for the singularity orders were compared with the analytical solution. The influences of the material combination and crack length on the radial and circumferential stresses and displacement distributions were investigated. The Stress Intensity Factors were determined based on numerical results using a displacement extrapolation method. The results for the non-dimensional stress intensity factors show that at lower crack lengths the influence of material mismatch is lower, but this influence increases with increasing crack length.     

三向应力度对船用钢三明治板激光焊焊接接头等效断裂应变的影响

为使船用钢CCS-B三明治板激光焊焊接接头在拉伸初期处于不同应力状态,设计了不同尺寸及缺口半径的试样,分别在平面应变、平面应力状态下获得不同的初始三向应力度,进而获得不同应力状态下的力学性能。试验结果表明：在进行拉伸试验时,试样无论是处于平面应力状态下还是平面应变状态下,随着初始三向应力度的减小,等效断裂应变增大,塑性变好;三向应力度与等效断裂应变之间均满足指数关系,即等效断裂应变随着三向应力度的增加呈现指数减小;断口形貌均为韧窝的韧性断裂形貌。     

曲轴的疲劳断裂分析

系统阐述利用有限元法对机械结构零部件进行疲劳断裂分析的相关理论和方法。在此基础上对16V240机车柴油机曲轴的最危险曲拐进行最大和最小工况下的三维有限元分析，确定裂纹易产生的危险截面，求解危险截面处不同深度和形态的表面椭圆裂纹的应力强度因子，并拟合关于椭圆裂纹特征参数及总体坐标下的等效应力强度因子的近似表达式。为预测含裂纹曲轴的承载能力、剩余寿命、制定判废标准等提供相关的疲劳断裂参数。     

裂纹张开位移的边界配位法计算方法

提出新的应力函数，该应力函数对于表面自由的或随均布载荷的裂纹都适用。利用该应力函数导出了各种裂纹模型，在各种边界条件下的应力强度因子的计算公式及裂纹面上各点位移的计算公式。并利用边界配位法，计算了方形中心裂纹板在各种条件下裂纹面上各点的位移。     

V形切口尖端裂纹起裂方向的主应力判别准则及其验证

围绕V形切口尖端裂纹起裂方向,分析了V形切口尖端裂纹应力场、位移场、应力强度因子,提出了裂纹起裂方向的主应力判别准则。首先,详细给出了V形切口尖端应力应变场的求解方法,通过裂纹尖端场本征值的三次线性拟合及误差分析,确定了V形切口尖端裂纹位移场;然后,建立了V形切口尖端的数值分析模型,运用数值计算方法确定了应力强度因子和切口强度因子,提出了V形切口尖端裂纹起裂方向的主应力判断准则,给出了外推法求解分析过程;最后,以LY8为试验材料,在张角2β＝60°的V形切口情况下,对提出的V形切口尖端裂纹起裂方向计算方法与判别准则进行了试验验证。     

模量面内变化的梯度功能弹性薄层接触应力分析

针对材料均匀去除要求,提出了一种基于梯度功能研抛盘的加工新方法,研究了模量面内变化的梯度功能弹性薄层接触应力问题。用半逆解法推导出梯度功能弹性薄层无摩擦接触应力方程,引入补偿函数来补偿平面位移的影响,简化了解析过程;利用ANSYS建立了梯度功能研抛盘无摩擦接触模型,得到位移加载下试样表面的等效应力分布;通过与应力方程拟合,获得了应力预测方程解析式及相应的补偿函数关系。最后,建立了试验平台,试验对比结果显示误差在10%以内,验证了接触应力预测方程解析式的正确性。     

The unified equations to obtain the exact solutions of piezoelectric plane beam subjected to arbitrary loads

The unified equations to obtain the exact solutions for piezoelectric plane beam subjected to arbitrary mechanical and electrical loads with various ends supported conditions is founded by solving functional equations. Comparing this general method with traditional trial-and-error method, the most advantage is it can obtain the exact solutions directly and does not need to guess and modify the form of stress function or electric displacement function repeatedly. Firstly, the governing equation for piezoelectric plane beam is derived. The general solution for the governing equation is expressed by six unknown functions. Secondly, in terms of boundary conditions of the two longitudinal sides of the beam, six functional equations are yielded. These equations are simplified to derive the unified equations to solve the boundary value problems of piezoelectric plane beam. Finally, several examples show the correctness and generalization of this method.