含不同张开角度裂纹结构的动态断裂试验研究

不同结构的动态断裂行为受多个因素影响,其中裂纹缺陷对其影响最为显著。张开型裂纹是工程结构中十分常见的缺陷,而且张开角度往往并不固定。为研究结构的运动裂纹与不同预制角度裂纹相互作用的规律,以张开角度为单一变量,采用动态焦散线试验系统,在冲击荷载下对含不同张开角度裂纹的有机玻璃试件进行三点弯试验。研究发现：裂纹扩展经过不同张开角度的预制裂纹时,都会先扩展至预制裂纹夹角尖端,再从预制裂纹其中一端重新蓄能起裂,然后偏向落锤点方向扩展,最终贯穿整个试件;开口向上的预制裂纹会增加运动裂纹的扩展时长,而且预制裂纹的开口角度越大,对裂纹扩展产生的迟滞效应越大,裂纹贯穿试件的总时长越大;与预制裂纹相互作用阶段,动态裂纹都会先减速后增速至峰值,预制裂纹角度越大,裂纹扩展速度峰值越小,且当预制裂纹角度为180°时的峰值与无预制裂缝试件的峰值非常接近;运动裂纹再次从预制裂纹尖端处起裂时裂纹尖端应力强度因子迅速大幅增加后又迅速减小直至试件完全断裂。     

含半椭圆表面裂纹焊接接头断裂参量的试验研究

本文研究了半椭圆形表面裂纹最深点三维J积分的直接测试技术,并在此基础上,通过对高匹配焊接接头表面裂纹试样断裂力学参量J积分的试验测试,探讨了接头强度匹配对焊接表面裂纹扩展驱动力的影响。试验表明本文所采用的手段对于焊接表面裂纹断裂参量的测试是适用的,且结果也充分反映出焊接接头的力学性能不均匀性的影响作用。     

含倾斜裂纹三点弯动态断裂试验研究

为研究冲击荷载下巷道围岩不同角度径向裂纹的破坏机制,采用落锤冲击加载平台和数字激光动态焦散线实验系统,以有机玻璃为试验材料,设计冲击荷载下半圆孔上不同角度裂纹的三点弯动态断裂试验,记录预制裂纹的角度α的改变对裂纹动态力学行为的影响,通过分析动态应力强度因子和裂纹扩展轨迹的分形维数对实验现象进行归纳总结。研究发现:①预制裂纹角度对裂纹尖端应变能的积累和释放的快慢有较大影响,随着角度的增大,起裂时间变短,起裂更容易,裂纹尖端应变能积累的更快;②裂纹尖端应变能释放的快慢在α=45°两侧表现出不同的规律;③不同角度裂纹的Ⅰ型动态应力强度因子随时间的变化规律具有相似性,但最大值却具有差异性;④不同角度裂纹的扩展轨迹满足一定的分形规律。     

多条表面裂纹相互作用的应力分析

脆性材料在热冲击载荷作用下,表面上经常会出现一些裂纹.含裂纹的构件可能会突然出现部分的或完全的失效.多条表面裂纹之间的相互作用通常会影响机械构件的寿命.该文采用迭加法研究了在热载荷下有限厚度的无限大板中N条中心对称分布的半圆形表面裂纹的相互作用问题:首先解析地求得板中不含裂纹时的应力分布;然后,根据叠加原理,有限元建模将反向等值载荷加在裂纹面上,从而得到问题的解.该文研究了多种裂纹构型下的应力强度因子,并以图的形式给出.     

区域分裂法用于抽油杆表面椭圆裂纹应力强度因子的三维有限元计算

本文用三维有限元方法求解抽油杆表面椭圆裂纹在拉伸载荷下的应力强度因子。采用区域分裂算法，由裂端２７节点奇异单元位移场可精确、连续地给出应力强度因子沿裂纹的变化．算例与数值计算吻合得很好，表明本文结果有较高的精度。     

弯扭组合载荷下圆管半椭圆表面裂纹应力强度因子的有限元分析

对表面裂纹复合型应力强度因子的研究一直是线弹性断裂力学中的重要课题,例如弯扭组合载荷下圆管半椭圆表面裂纹应力强度因子的计算,到现在也没有一个正确的分析解。考虑到裂尖的应力奇异性,在裂纹前沿手动设置三维奇异单元,用三维有限元法中的1/4点位移法计算弯扭组合载荷下圆管表面椭圆裂纹前沿的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型应力强度因子,并分析其随裂纹深度增加时的变化规律。运用该方法计算了有关模型的应力强度因子,并与该模型的实验值进行了比较,计算结果和实验结果吻合良好。     

弧形支座支承的含裂纹圆环动态断裂模式的DYNA3D数值分析

本文利用ＤＹＮＡ３Ｄ大型非线性程序对冲击载荷作用下受刚性弧形支座支承的含裂纹圆环的动态怕裂模式进行了数值模拟分析，表明了冲击过程中含裂纹圆环的几个变形特征，冲击变形，反弹变形，弯曲变形，撕裂破坏，研究位于圆环外表面不同位置裂纹的动态行为对冲击载荷的敏感性以及裂纹敏感区与冲击速度的依赖关系，同时在冲量一定情况下，分析了冲击速度，质量以及支座弧度的变化对裂纹敏感区域的影响，给出了动载下圆环中应力的动态     

自增强厚壁圆筒轴向内表面裂纹的应力强度因子

本文研究用有限元通用程序计算具有残余应力的自增强厚壁圆筒内半椭圆形表面裂纹的应力强度因子的方法。所考虑的应力强度因子被分为相应于工作内压及残余应力两部分，分别用三维有限元通用程序算得的裂纹前沿单元节点的垂直位移直接计算，对后者又运用了＂叠加原理＂。结果表明，残余应力的存在能有效地降低内裂纹的应力强度因子值，自增强度高者这一作用亦显著，残余应力引起的应力强度因子对裂织数目不敏感。     

一个简化的表面裂纹应力强度因子的计算公式

通过三点弯曲加载的表面裂纹试样研究了碳氮共渗、渗氮及调质几种不同热处理的(?)面裂纹疲劳扩展行为。试验证实:半椭圆表面疲劳裂纹的长轴(c)、短轴(α)与试样厚度(B)符合α/c α/B=0.99±,,12的关系式。并且在我们的试验范围内(0.33≤α/c≤0.71;0.29≤α/B≤0.67),其长轴端应力强度因子可用简单的放学式进行计算:△K_c=A·△,(πc)/(1/2)·M_w.其中A≈0.5。由此大大简化了表面裂纹应力强度因子的计算。     

含裂纹悬臂梁的动态弯曲断裂行为研究

本文采用动态焦散线方法对含裂纹悬臂梁承受横向冲击的弯曲断裂行为进行了动态断裂力学实验研究，分析了无量ａ／ｈ（ａ：初始裂纹长度；ｈ：梁高度）对于裂纹动态扩展行为（裂纹起始状态、裂纹尖端的应力强度因子、裂纹扩展速度、裂纹扩展轨迹）的影响，并借助动态光弹性应力分析，对应力波与扩展裂纹的相互作用、以及应力波传播规律进行探讨。     

基于裂纹尖端应力比值的含裂纹功能梯度材料圆筒应力强度因子计算方法

由于功能梯度材料（FGM）性质的特殊性,现有含裂纹FGM结构应力强度因子计算方法难以避免复杂的矩阵运算以及数值积分。该文针对含外表面环向裂纹FGM圆筒,利用FGM圆筒与均匀材料圆筒裂纹尖端应力之间的比例关系,将复杂的FGM圆筒应力强度因子求解问题转化为简单的应力值提取问题以及经验公式计算问题,仅由均匀材料圆筒应力强度因子经验公式、均匀材料圆筒和FGM圆筒裂纹尖端应力比值即可得到任意含裂纹FGM圆筒应力强度因子。该方法仅需建立2D轴对称模型即可满足计算要求,在保证精度的基础上成功回避了传统方法中的复杂矩阵运算以及数值积分,且适用于不同FGM、筒体尺寸、裂纹深度等情况下的应力强度因子计算。通过多组算例对比分析,证明该方法计算精度高、计算过程简便,便于工程应用。     

混凝土断裂的三维旋转裂缝模型研究

作为一种准脆性材料,混凝土在发生开裂后将表现一定的应变软化特性。基于Bazant提出的钝断裂带力学模型,将其扩展为三维旋转裂缝模型,并推导出相应的三维软化本构,应用于复杂应力路径下混凝土开裂扩展的三维数值模拟。通过对比四点剪切梁试验的数值模拟结果与试验结果,验证了该模型能较好地模拟混凝土混合型开裂行为。     

计算圆筒动态应力强度因子的有限元方法与叠加积分方法

本文计算了厚壁筒的动态应力强度因子，研究了有限单元法计算动态应力强度因子的几个主要问题，提供了合理计算方案，本文还提供了计算厚壁筒动态应力强度因子的叠加积分法，方便于各种动态内压下的动态应力强度因子的计算。     

混凝土Ⅲ型裂缝动静力损伤断裂分析

本文把混凝土的动静力损伤本构模型通过应变等价性假设引入到线弹性断裂力学中，推出了混凝土Ⅲ型裂缝在动静力荷载作用下缝端附近的损伤场，给出了相应的判据，实现了损伤与断裂的耦合分析，为把损伤理论应用到混凝土断裂分析中提供了一条可行的途径。文末还给出了混凝土Ⅲ型裂缝允许损伤尺度的估计值。     

压力管道含环向表面裂纹的J积分估算方法

本文详细讨论了含环向表面裂纹管道的SC.ENG1和SC.ENG2 J积分估算方法,建立了含环向表面裂纹管道的有限元模型,对上述方法的有效性进行了考察。采用三维弹塑性有限元方法分析和讨论了表面裂纹前缘的J积分的分布规律;及具有不同长度屈服平台的管道材料对J积分的影响,对该估算方法对于具有屈服平台的国内管道用钢的适用性和有效性进行了讨论。     

KK节点中表面裂纹应力强度因子的数值分析

海洋平台中的管节点在出现疲劳裂纹后,其残余寿命的估算依赖于对焊缝处表面裂纹应力强度因子的精确计算。首先介绍了包含表面裂纹的KK节点的有限元网格产生方法。采用了五种不同类型的单元,即六面体单元、四分之一结点的裂纹单元、棱柱单元、棱锥单元以及四面体单元来形成KK节点焊缝处表面裂纹的网格。然后通过交互J积分法计算出了KK节点表面裂纹的应力强度因子分布情况。     

一种新型裂尖加强函数的显式动态扩展有限元法

基于扩展有限元方法提出了一种新的裂尖加强函数,与传统三角函数基表征的加强函数相比,该裂尖加强函数通过组合传统的函数基,继承了传统附加函数的特性,同时使得结点的奇异附加自由度减少为2个,减少了总体劲度矩阵的规模,提高了计算效率。通过集中质量矩阵考虑结构的惯性效应,使用显式时间积分方法计算了含裂纹结构的瞬间受载问题,并应用相互作用积分得到裂尖端点处的动态应力强度因子。通过相关算例的对比分析,验证了所提出的裂尖加强函数的有效性,同时表明采用显式时间积分方法进行结构动态响应分析的可行性及准确性。     

A FINITE ELEMENT TECHNIQUE TO SIMULATE THE STABLE SHAPE EVOLUTION OF PLANAR CRACKS WITH AN APPLICATION TO A SEMI-ELLIPTICAL SURFACE CRACK IN A BIMATERIAL FINITE SOLID

This paper describes a numerical procedure to model the crack front evolution of initially arbitrary shaped planar cracks in a three-dimensional solid. The influence of a bimaterial interface on the fracture path of a semi-elliptical surface crack in a three-dimensional structure is examined. The analysis is based on the assumption that fracture is controlled by small-scale yielding and linear elastic fracture mechanics. The finite element method and the crack-tip contour J-integral in a volume domain representation are utilized to calculate the crack front energy release rate. The computed values of the energy release rate are used with a crack-tip velocity growth law to model crack growth increment. The progress of the crack growth evolution is brought forward by successive iterations. Examples of computed crack evolution are given for an embedded circular crack, a semi-elliptical surface crack in a finite plate, and a configuration that defines an isotropic homogeneous material layer with a surface crack located between two material layers. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

STRESS INTENSITY FACTORS FOR A FUNCTIONALLY GRADED MATERIAL CYLINDER WITH AN EXTERNAL CIRCUMFERENTIAL CRACK

This paper presents mode I stress intensity factors for external circumferentially cracked hollow cylinders, which are assumed to be made of functionally graded materials and subjected to remote uniform tension. The conventional finite element method is improved by introducing isoparametric transformation for simulating the gradient variations of material properties in the finite elements. This improved finite element method is verified to be effective and efficient. Various types of functionally graded materials and different gradient compositions for each type are investigated. The results show that the material property distribution has a quite considerable influence on the stress intensity factors.