导电薄板内裂纹尖端区域的电磁应力

为了研究电磁应力对导电薄板内裂纹尖端的作用,从基本电磁理论出发,通过对导体表面所受电场力的分析,推得了导电薄板内裂纹边缘处电场力的表达式.在此基础上,通过导电薄板内裂纹尖端区域磁场的确定,得到裂纹尖端区域的电磁应力表达式.裂纹尖端电磁应力的计算表明,金属薄板中裂纹尖端的电磁应力是由裂纹尖端指向金属内部的压应力,并且当电流密度为103～104A/mm2的数量级时,裂纹尖端的压应力数值可达数兆帕到数百兆帕.因此,在研究裂纹止裂问题上,其影响不容忽视.     

阶跃递增电流作用下导电薄板中的裂纹止裂效应

研究了在带有有限长裂纹的无限大导电薄板中，垂直裂纹通入阶跃递增电流的情况下，裂纹尖端处的电磁场和温度场．给出了裂纹尖端温度的计算方法和算例．指出适当调整阶跃电流的变化值和阶跃次数，可使裂纹尖端处熔化形成焊点，从而遏制了裂纹的扩展．     

载流薄板中裂纹形成瞬间尖端附近的热电磁场

给出了载流无限大薄板在形成裂纹的瞬间,尖端区域附近的电流密度以及由于集中效应而产生的焦耳热源功率表达式。在此基础上,通过对热传导方程求解温度场,得到了裂纹尖端区域的温度表达式．通过算例分析证实了：在电磁场作用瞬间,由于裂尖处的热集中效应,能够使其在附近一定范围内熔化形成微小焊口．从而可达到阻止裂纹扩展的目的。     

束状炮孔爆破倾斜张开节理的动态断裂特性研究

采用动态焦散线实验和ABAQUS数值模拟,对束状炮孔柱部区域和端部区域节理处裂纹的动态断裂特性进行了研究。结果表明,在炮孔柱部区域,初始爆炸应力波在张开节理处产生透射波与绕射波并与其相互叠加,节理端部产生拉剪应力集中形成翼裂纹,垂直于节理面起裂扩展。且节理近端翼裂纹扩展速度、扩展长度和裂纹尖端应力强度因子较节理远端处翼裂纹的相应值大。而次生裂纹是爆炸应力波在试件边界处产生的反射拉伸波与倾斜张开节理相互作用起裂的,并沿水平方向扩展。远端次生裂纹的起裂韧度约为翼裂纹的0.5倍,且由于反射波较弱,次生裂纹的扩展长度远小于翼裂纹。炮孔端部区域翼裂纹和次生裂纹是在倾斜张开节理处的反射拉伸波和绕射波与倾斜张开节理的相互作用下先后起裂的,翼裂纹偏向炮孔方向起裂,并向相反方向扩展,而次生裂纹近似沿着爆炸应力波的传播方向扩展。     

β—Al2O3固体电解质的“电解—应力腐蚀”裂纹生长

当电解质隔板在使用中出现裂纹时,重要的问题是探求出,在工作应力下,该裂纹通过扩展,达到引起灾难性断裂的临界长度所需的时间。本工作研究了电解电流 Q_(?)对处于受力状态下的β-Al_2O_3电解质中裂纹生长速率 da/dt 的影响。探讨了电解条件下的持久断裂时间 T_(?)对起始应力强度因子 K_(?)的依赖关系。分析了裂纹尖端区域的钠流和钠沉积加速“电解—应力腐蚀”断裂过程的机理。指出,钠沉积对于裂纹扩展可能起着两种相反的作用。一方面,在主裂纹尖端钠尖积诱发微裂纹的合并,有可能加速裂纹扩展的进程;另一方面,当裂纹尖端的温度由于长时间的电解而升高,沉积钠可能软化并起着抑制裂纹生长的韧性相作用。     

载流金属材料裂纹尖端电磁应力的数值模拟

用数值模拟方法研究了金属裂纹尖端电磁应力的分布情况,给出了电流分布、磁场分布和电磁应力的分布.模拟结果表明,金属材料裂纹尖端受的电磁应力是最大的,并且这个力的大小随着电流密度的增加而增大,裂纹尖端的电磁力指向金属的内部.通过具体算例表明,在金属能承受的电流密度下,金属材料裂纹尖端的电磁应力约能达到1MPa的数量级.因此,在研究电磁场处理金属裂纹时,不能忽略电磁应力.     

基于Kirchhoff板中裂纹尖端辛本征解的有限元应力恢复方法

对于含穿透裂纹的板结构,裂纹尖端应力场及应力强度因子的计算精度对评估板的安全性具有非常重要的影响。基于含裂纹Kirchhoff板弯曲问题中裂纹尖端场的辛本征解析解,该文提出了一个提高裂纹尖端应力场计算精度的有限元应力恢复方法。首先利用常规有限元程序对含裂纹板弯曲问题进行分析,得到裂纹尖端附近的单元节点位移;然后根据节点位移确定辛本征解中的待定系数,得到裂纹尖端附近应力场的显式表达式。数值结果表明,该方法给出的应力分析精度得到较大提高,并具有良好的数值稳定性。     

含周期性裂纹正交各向异性板平面问题的应力场分析

通过引入适当的Westergaard应力函数,采用复变函数方法和待定系数法对含周期性裂纹正交各向异性纤维增强复合材料板的Ⅰ 型、Ⅱ型问题中裂纹尖端附近的应力场进行了力学分析。在远处对称载荷与斜对称载荷作用下,先给出Ⅰ型、Ⅱ型问题在裂纹尖端处的应力强度因子,然后导出用应力强度因子表示的Ⅰ型、Ⅱ型裂纹问题应力场的解析表达式。此外,应力场大小与材料常数有关,这是正交各向异性材料不同于各向同性材料的特征。由于裂纹的周期分布,应力强度因子的大小取决于形状因子。结果表明,形状因子随着裂纹长度的增加而增大,随着裂纹间距的增大而逐渐下降,当裂纹间距趋于无穷大时,退化为含单个中心裂纹正交各向异性纤维增强复合材料板的结果。      

含裂纹钢试样在拉伸过程中的声发射特性

对于带有I型裂纹的SM490A钢和SUS304钢试样,通过测量其在拉伸断裂过程中的声发射特征参数及裂纹尖端特定点的温度,分析了裂纹尖端和塑性变形区域的力学特征.结果表明:声发射能量计数、振铃累积计数在裂纹扩展的各个阶段都有着明显的曲线特征,且曲线特征和屈服、强化阶段的应力-应变曲线基本吻合,因此可以用声发射能量计数、振...     

动态爆生裂纹相互影响的试验研究

采用以有机玻璃(PMMA)为材料的模型试验方法,分析了试件的破坏形态和裂纹尖端的应力特征,研究了对向切槽炮孔的不同竖向间距对爆生裂纹扩展的影响。结果表明:爆生裂纹扩展过程中,裂纹速度震荡减小,裂纹尖端应力变化经历两个阶段,Ⅰ阶段(0~110μs)裂纹尖端动态应力强度因子迅速减小,试件破坏以拉伸破坏为主;Ⅱ阶段(110μs~止裂)裂纹尖端动态应力强度因子先增大后减小,试件破坏兼有拉伸破坏和剪切破坏。炮孔的竖向间距的不同对爆生裂纹Ⅰ阶段扩展影响不大,对Ⅱ阶段扩展影响显著。对向裂纹起到自由面作用并引导己方裂纹向其发生偏转,从对向裂纹面处反射的应力波加强了己方裂纹尖端的应力集中。     

电磁热效应裂纹止裂中绕流屏蔽效应的数值模拟

本文采用数值模拟方法研究了电磁热效应多裂纹止裂中的绕流屏蔽问题，在数值模拟中应用了热-电耦合(焦耳热问题)的分析方法。计算结果表明：由于裂纹的存在导致电流热集中效应，使裂尖处金属熔化形成焊口，遏制了裂纹的扩展；在多裂纹导体中通入相同电流时，多裂纹间的绕流屏蔽效应并不十分明显，裂尖的温度和温度梯度主要取决于裂纹的长度；随着裂纹长度的变化，裂纹尖端的温度场和温度梯度场均有很大的变化，本文给出了它们的定量分析结果。     

含圆形埋藏裂纹金属构件电磁热止裂时应变能密度分析

对带有圆形埋藏裂纹金属构件在脉冲放电瞬间的应变能密度进行了理论分析。在求解过程中,以张开型裂纹为例,应用了热传导、非定常热应力及汉克尔变换等理论知识,得出了含埋藏圆片裂纹在脉冲放电瞬间的温度场理论公式、热应力场公式和应变能密度公式。由热应力场公式和应变能密度公式可知,放电瞬间电磁热在裂纹尖端形成热压应力场,热压应力对金属构件做负功,减小了拉应力对构件的破坏程度,放电后构件的应变能密度降低了。以Cr12MoV模具钢中埋藏圆裂纹止裂为例,具体计算了脉冲放电前后不同拉应力作用下的应变能密度变化情况,为空间裂纹电磁热止裂技术的实际应用提供了理论基础。     

垂直界面裂纹应力强度因子的加料有限元分析

为求解裂尖位于界面上的垂直双材料界面裂纹应力强度因子,发展了一种加料有限元方法。该方法应用Williams本征函数展开和线性变换方法求解裂尖渐进位移场,将该位移场加入常规单元位移模式中,得到加料垂直界面裂纹单元和过渡单元的位移模式,给出加料有限元方程。建立了典型垂直界面裂纹平面问题的加料有限元模型,求解加料有限元方程直接得到应力强度因子,与文献结果对比表明该方法具有较高的精度,可方便地推广应用于垂直界面裂纹的计算分析。     

轴对称金属模具电磁热裂纹止裂温度场的分析

选择带有半埋藏环形裂纹的金属凹模为研究对象,通过金属凹模内外环面均匀通入强脉冲电流,应用电磁热效应实现了金属凹模中环形裂纹的止裂。采用复变函数的方法求解了脉冲电流放电瞬间裂纹尖端附近的温度场。由于脉冲电流放电瞬间,裂尖处电流绕流的热集中效应,在金属凹模内部,环形裂纹尖端金属的温升超过熔点,金属熔化,在金属凹模内部沿着环形裂纹尖端形成堆焊,致使环形裂纹尖端的曲率半径瞬间增大,阻止了干线裂纹源的开裂趋势。     

A NEW APPROACH TO THE DETERMINATION OF THE CRACK VELOCITY VERSUS CRACK LENGTH RELATION

Abstract— A mathematical model of crack propagation due to the formation of a fractal cluster of voids and microcracks is presented. The initiation of a microcrack from a pile-up of dislocations in the vicinity of a crack tip is modelled. A method to determine the fractal dimension of a crack, based on the crack growth analysis, is developed. A crack length versus crack velocity relation, based on the physical mechanisms of crack growth and the fractal nature of a crack, is deduced. A formula for the time to fracture is obtained.     

裂纹深度及尖端曲率对尖角裂纹周围应力场的影响

对于尖角裂纹,裂纹深度和裂纹尖端曲率对于裂纹附近应力场的影响有可能要大于裂纹张开角度的影响。根据弹性断裂理论和复变函数理论建立了一个计算模型,利用保角映射方法解决了尖角裂纹的边界条件问题,得到了具有不同深度和尖端曲率的裂纹周围应力分布,并对此应力分布规律进行了分析。     

圆盘状Ⅰ型裂纹的非局部理论解

本文采用非局部弹性理论研究了三维圆盘状Ⅰ型裂纹问题。给出了轴对称问题的影响函数，导出了圆盘状Ⅰ型裂纹非局部理论解的对偶积分方程。对具有无界核积分方程的求解问题提出了一种有效的解决方法，使无界核问题转化为有界核问题。给出了圆盘状Ⅰ型裂纹问题裂纹尖端应力场的数值解，结果表明，非局部理论消除了本文三维问题裂纹尖端应力场的奇异性，文中还对裂纹尖端应力场的大小和分布等进行了研究。     

A reexamination of the pressure at the tip of a fluid-filled crack

Previous studies of a fluid-filled crack in an elastic medium have been based on approximate global equations of continuity and motion, and on an assumption of pure radial flow in the crack. Such investigations have led to the existence of singularities in the fluid pressure at the crack tip and hence the conclusion that a crack cannot be completely filled with fluid. It is shown that this conclusion is a result of the approximate nature of the equations and is due to neglect of the transverse velocity component. It is shown too that the exact equations do not give rise to singular terms. Using these exact equations, and taking into account the 2-dimensional nature of the flow, an asymptotic solution near the crack tip is obtained resulting in a finite pressure.