高频谐振载荷作用下疲劳裂纹尖端变形场分析

为研究高频谐振式疲劳裂纹扩展试验中,带有I型预制裂纹的CT紧凑拉伸试件裂纹尖端位移、应变场的变化规律,利用动态有限元方法,采用ANSYS和MATLAB软件编写程序,计算了CT试件在高频恒幅正弦交变载荷作用下,在一个应力循环及裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端区域的位移、应变场并分析了其变化规律.为验证有限元计算结果的准确性,进行了高频谐振式疲劳裂纹扩展试验,采用动态高精度应变仪测量了CT试件疲劳裂纹扩展到5mm时在一个应力循环内裂纹尖端点的应变.研究结果表明:在稳态裂纹扩展阶段,高频谐振载荷作用下I型疲劳裂纹尖端区域位移、应变均为和载荷同一形式的交变量;随着裂纹的扩展,I型疲劳裂纹尖端的位移、应变幅不断增大;裂纹尖端测量点应变有限元计算结果和实验结果最大误差为2.93%.     

可压缩粘弹性材料Ⅰ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了可压缩粘弹性材料Ⅰ型动态扩展裂纹的力学模型,推导了可压缩材料Ⅰ型动态扩展裂纹的本构方程.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级.通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变和位移的数值结果,给出了应力、应变和位移随各种参数的变化曲线.数值计算表明,弹性可压缩变形对Ⅰ型裂纹尖端应力场影响甚微,而对应变场和位移场影响较大.裂纹尖端场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M控制.当泊松比v=0.5时,可以退化为不可压缩粘弹性材料Ⅰ型动态扩展裂纹.     

扩展裂纹尖端的弹—粘塑性场

弹性 -粘塑性模型对反平面剪切扩展裂纹尖端的应力应变场进行了分析 .文中给出了适当的位移模式 ,推导了渐近方程 ,并且给出了数值结果 .分析和计算表明对于低粘性情况应变场具有对数奇异性 .结果揭示了粘性对裂纹尖端场的作用     

粘弹性材料中动态扩展裂纹尖端场的分析

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了粘弹性材料动态扩展裂纹的力学模型.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级,即(σ,ε)∝r-1/(n-1).通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近控制方程;采用靶法求得了Ⅰ型Ⅱ型动态扩展裂纹尖端的应力、应变的数值解.数值计算表明:裂尖场变化主要受材料的蠕变指数和马赫数的控制.通过对裂纹尖端场的渐近分析,为动态扩展裂纹的断裂判据提供参考依据.     

应用散斑放大技术确定裂纹尖端应变场

应用激光散斑放大技术对１６Ｍｎ钢三点弯曲裂纹试件进行了测试。提取了裂纹尖端附近１ｍｍ区城内的位移信息，然后应用小变形几何关系换算成应变场。对裂纹扩展规律进行了探讨。实验结果与最大拉应变准则相符。     

静止裂纹尖端的损伤场：反平面问题

采用新的损伤本构模型和自相似假定，对静止裂尖端应力，应变场进行了渐近分析，在反平面问题中，给出尖端场的构造，在上半平面，场是由一人损伤区和一个弹性构成的，场为单参数场，它由远场外载荷的在小来确定，在损伤区中存在应变的奇异性，对不同材料常数计算应力（应变）分布，揭示了裂纹尖端场的损伤行为。     

应用散斑放大技术确定裂纹尖端应变场

应用激光散斑放大技术对１６Ｍｎ钢三点弯曲裂纹试件进行了测试，提取了裂纹尖端附近１ｍｍ区域内的位移信息，然后应用小变形几何关系换算成应变场，对裂纹扩展规律进行了探讨，实验结果与最大拉应变准则相符。     

一类弹粘塑性材料II型扩展裂纹的尖端场

为了研究粘性效应作用下的II型扩展裂纹尖端场,假设扩展裂纹尖端的粘性系数与塑性应变率的幂次成反比,通过量级匹配表明应力和应变均具有幂奇异性,奇异性指数由粘性系数中等效塑性应变率的幂指数唯一确定.引入Airy应力函数,求出了裂纹尖端应力和应变场的控制方程.选取适当的特征参数,给出了边界条件,对控制方程通过双参数打靶,进行了数值计算,求得了裂纹尖端的应力应变场.分析与计算结果表明粘性效应是裂纹尖端场的一个重要因素.     

率敏感材料Ⅰ型准静态扩展裂纹尖端的弹黏塑性分析

采用率敏感型本构关系,对不可压缩材料平面应变Ⅰ型准静态扩展裂纹的尖端场进行了渐近分析.引入Airy应力函数,求出了裂纹尖端应力和应变场的控制方程.并对其作渐近分析,推导出了该模型下的本构方程.选取适当的特征参数,给出了边界条件,对控制方程通过双参数打靶进行了数值计算,求得了裂纹尖端的应力应变场.计算结果表明,裂纹尖端的应力和应变均具有r-δ的奇异性,整个裂纹尖端场是由黏塑性区控制,不存在弹性卸载区.     

嵌入非线性黏弹性材料弹性尖楔尖端的应力、应变场

套管损坏是石油工程研究中的重要问题之一,引起套管损坏发生的主要原因是在采油过程中油藏结构变化改变了原地应力场的分布以及不同岩层间界面的相对滑动.建立了以油藏隆起为尖楔嵌入非线性黏弹性材料的界面断裂力学模型.在平面应变条件下,通过奇异量级分析、运动方程和协调方程,推导出在尖楔尖端的非线性黏弹性材料中的控制方程.根据问题的边界条件和连续条件,通过数值计算得到了尖楔尖端连续的分离变量形式的应力、应变和位移场.数值计算表明,尖楔尖端场分布主要受材料的力学特性、地层倾角和摩擦系数的影响.模型阐明了套管剪切损坏力学机理,研究的结果为解决套管损坏问题提供了理论上的参考依据.     

一种测定裂纹体约束因子的实验方法及应用

介绍了一种确定裂纹体约束因子的实验方法：这种方法先在一个断裂韧性试样上同时测定J积分值和裂纹尖端张开位移值艿，然后用J积分值和艿值计算出裂纹体的约束因子：用这种实验方法，测定了海洋平台用钢DH40的三点弯曲试样的约束因子，测定了用于海洋平台导管架建造的两项焊接工艺的焊接接头热影响区的三点弯曲试样的约束因子。文中的实验方法，结果准确可靠，使用方便，     

云纹干涉法测双材料界面裂尖位移场

利用云纹干涉法,对铜钢焊接试件界面裂纹尖端位移场进行了研究,利用数字图像处理系统,对采集到的在常温三点弯曲荷载作用下的干涉云纹场进行处理,并对所得结果进行了分析．     

正交异性粘弹性材料Ⅰ型裂纹尖端场研究

研究正交异性粘弹性材料在对称载荷作用下,裂纹尖端的应力与位移分布。首先利用La—place积分变换法,将正交异性粘弹性问题转化为拉普拉斯空间的正交异性弹性问题进行求解;其次,在正交异性弹性材料板裂纹尖端解的基础上,利用准静态粘弹性-静态弹性对应原理,得到Laplace域内正交异性粘弹性裂纹尖端的解;最后采用F-Durbin数值方法将其作逆变换,求得正交异性粘弹性材料Ⅰ型裂纹尖端的数值解。通过在力作用开始时的粘弹性解与相同条件下的弹性解进行对比,表明采用F-Durbin数值反演方法可以得到更精确的解。     

Digital image correlation based high-speed crack tip locating method and its application

Based on a digital image correlation (DIC) method with the measurements of a high speed crack''s displacement and strain fields, a technique to accurately and automatically locate its crack tip has been developed. The crack tip is identified by finding the abrupt jump on the opening (or dislocation) curve of a point on the trace of the crack propagation, while the opening is measured through a virtual extensometer technique and the abrupt jump is identified by finding the peak on the curve. The method was verified using a specially designed experiment and applied to measure the critical crack tip opening angle of a rock sample. Because the involvement of analytical models has been avoided and then the good performance could be ensured for low resolution speckle images, this technique is expected to be very useful in the quantitative study of high speed cracks in experiments using high speed cameras.     

无限大板椭圆孔的分支裂纹的边界元分析

采用常位移不连续单元和裂尖位移不连续单元构成的边界元方法研究内部压力作用下无限大板中源于椭圆孔的分支裂纹.在该边界元方法的实施过程中,左、右裂尖位移不连续单元分别置于裂纹的左、右裂尖处,而常位移不连续单元则分布于除了裂尖位移不连续单元占据的位置之外的整个裂纹面及其他边界.结果表明,该数值方法对计算无限大板中复杂裂纹的应力强度因子是有效的,可以揭示裂纹体几何对应力强度因子的影响.     

三点弯曲-剪切试样的应力强度因子

利用一种边界元法研究具有偏移边裂纹的三点弯曲-剪切试样.该边界元方法由Crouch与Starfield提出的常位移不连续单元和笔者最近提出的裂尖位移不连续单元构成.在该边界元方法实施过程中,左、右裂尖位移不连续单元分别置于裂纹的左、右裂尖处,而常位移不连续单元则分布于除了裂尖位移不连续单元占据的位置之外的整个裂纹面及其他边界.算例说明这种边界元法不论对无限大还是对有限大平面弹性复杂裂纹问题的应力强度因子的计算都是非常有效的.对具有偏移边裂纹的三点弯曲-剪切试样的应力强度因子进行了详细的研究,给出了数值结果.     

A numerical method for multiple cracks in an infinite elastic plate

This article examines the interaction of multiple cracks in an infinite plate by using a numerical method. The numerical method consists of the non-singular displacement discontinuity element presented by Crouch and Startled and the crack tip displacement discontinuity elements proposed by the author. In the numerical method implementation, the left or the right crack tip element is placed locally at the corresponding left or right crack tip on top of the constant displacement discontinuity elements that cover the entire crack surface and the other boundaries. The numerical method is called a hybrid displacement discontinuity method. The following test examples of crack problems in an infinite plate under tension are included： “ center-inclined cracked plate”, “interaction of two collinear cracks with equal length”, “interaction of three collinear cracks with equal length”, “interaction of two parallel cracks with equal length”, and “interaction of one horizontal crack and one inclined crack”. The present numerical results show that the numerical method is simple yet very accurate for analyzing the interaction of multiple cracks in an infinite plate.