通电瞬时板内半无限长裂纹尖端域的应力场

以导电弹性体的麦克斯威尔方程为出发点,借助于边界条件和初始条件,推得了在向含半无限长直线裂纹的无限大导电薄板内通入电流的瞬时,裂纹尖端附近电流密度的表达式。在此基础上,得到了裂纹尖端区域处温度和应力的具体表达式。算例表明,在电流所产生的焦耳热源的作用下,裂尖区域处的温度将瞬时升高,并伴有压应力的产生,从而可达到阻止裂纹扩展的目的。     

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。     

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。     

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.     

双压电材料界面力电耦合场奇异性研究

针对不同压电材料中界面裂纹尖端的扇形区域推导出了包含基本方程、裂纹面D-P边界条件和不同压电材料交界面处的边界条件的弱形式。在该弱形式的基础上,利用特征方程展开方法(eigenfunction expansion technique),可以得到一个分析压电材料裂纹尖端处力电耦合场奇异性的特殊的一维有限元列式。该一维有限元列式只需对扇形区域在角度方向上离散,最后的总体方程为一个二次特征根方程。求解该特征根方程就可以得到压电材料裂纹尖端处力电耦合奇异场的特征解。通过数值算例表明该方法可以准确而高效地计算压电材料裂纹尖端处力电耦合奇异场的特征解,进而用该方法研究了双压电材料界面力电耦合场的奇异性。     

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.     

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。     

水力冲击内蕴初始裂纹混凝土致裂机理

为研究水力冲击内蕴初始裂纹混凝土破碎机理,采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法建立了水力冲击含竖向裂纹混凝土数值模型,并基于图像处理技术,量化表征了混凝土致裂区破碎规律。研究表明:在初始裂纹弱作用区,水锤效应导致液固接触边界出现剪切断裂,贯通后形成近似"碗状"破碎坑;在初始裂纹强作用区,液固接触边界压剪应力和初始裂纹上部应力集中共同作用引发了初始裂纹上尖端裂纹;"水楔+砼楔"效应与初始裂纹下部应力集中导致了初始裂纹下尖端裂纹;水力冲击激发的应力波在自由边界和初始裂纹反射后相互叠加,引发了锥形裂纹;混凝土破碎度沿射流轴向呈非线性阶跃衰减,表明初始裂纹对混凝土破碎演化有明显阻断及强干扰作用。     

单边偏置裂纹相互作用的实验研究

为研究脆性介质中裂纹相互作用对裂纹扩展形态的影响,以有机玻璃(PMMA)为相似材料,采用动态焦散线实验方法开展了三点弯冲击动力学实验研究。结果表明:冲击荷载条件下,裂纹间相互作用影响裂纹起裂时间、裂纹尖端应力场以及裂纹偏转方向。裂纹相互作用使得裂纹起裂时应力强度因子K■降低,起裂所需能量累积时间缩短;裂纹扩展初始阶段,单偏置裂纹尖端应力场剪应力分量为正,应力强度因子K■大于0,单边偏置平行双裂纹相同位置处裂纹尖端应力场剪应力分量为负,K■小于0;裂纹距离中心位置10 mm的情况下,单偏置裂纹起裂后向内侧偏转,单边偏置平行双裂纹相同位置处裂纹向外侧偏转。     

金属构件中裂纹的电磁热效应局部跨越止裂

采用理论分析和实验研究的方法讨论了应用电磁热效应对金属构件中裂纹实施局部跨越止裂的技术.在带有裂纹的模具钢构件上取样,对裂纹处通过点电极进行局部跨越脉冲放电.实验研究和理论分析结果均表明;跨越止裂可以使导体中局部裂纹在裂纹尖端处很小的范围内熔化形成微小的焊口,实现了钝化止裂,遏制了裂纹的扩展.通过对止裂后裂尖的金相组织观察和力学性能测试发现;超细化的条状马氏体、极少量残余奥氏体和细颗粒碳化物的出现极大地提高了裂纹尖端的硬度、韧性和耐磨性.     

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。     

多裂纹导电薄板电热温度场和应力场的计算

讨论了对带有n个共线裂纹的薄板,在无穷远处加载电流实施止裂时板内的温度场和应力场。文中利用了复变函数的方法计算得到了电流场、温度场和应力场的分布状态。计算中考虑了材料热传导系数、线胀系数、弹性模量随温度的变化。作为算例,以带有两个共线裂纹、牌号为GH2132GH的高温合金制成的薄板进行了计算,给出了应力、温度与加载的电流密度及裂纹尺寸的关系;分析了导热系数随温度的变化对温度场数值的影响。     

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。     

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。     

Stress intensity factors for through-thickness cracks in a wide plate: Derivation and application to arbitrary weld residual stress fields

Exact closed-form stress intensity factor (SIF) solutions have been developed for mode-I, II and III through-thickness cracks in an infinite plate. Centre-crack problems have been analysed comprehensively in the literature, but the focus has been on the effect of simple loading about the crack centre. In the current work, the formula of Sih-Paris-Erdogan was extended to consider the difference in SIF on the left and right crack tips under an asymmetric stress field. Mathematical manipulations were performed to derive exact stress magnification factors for SIF computations and simultaneously circumvent the problem of crack-tip stress singularity. The solutions so obtained are applied to derive the residual SIFs that would act on a crack growing under the influence of the residual stress fields associated with VPPA (variable polarity plasma arc) and friction stir welds, using measured residual stress profiles.     

Zener–Stroh crack at the interface of multi-layered structures

A Zener–Stroh (Z–S) crack can be nucleated on the interface of a multi-layered structure when a dislocation pileup is stopped by the interface which works as an obstacle. During the entire fracture of a crack, Z–S crack mechanism controls the initial stage, or the first phase of crack initiation and propagation. In our current research, investigation on a Z–S crack at the interface of a multi-layered structure is carried out. The problem is formulated into a set of singular integral equations by applying the distributed dislocation based fracture mechanics. The obtained integral equations are then solved with numerical method after the singularities at crack tips are carefully checked. In the solution procedure, the contact zone model is adopted to cease the oscillation behavior. The contact zone length, the stress field near the crack tips and the stress intensity factors (SIFs) of the crack are discussed based on the numerical results of two typical structures. It was found that the contact zone length could be very large and was determined by the properties of all the three materials and loading conditions. Our analysis also shows that the thickness of the middle thin layer plays a critical role for the fracture behavior of the crack when it is comparable to the crack length.