Influence of fractality of fracture surfaces on stress and displacement fields at crack tips

In the classic theory of fracture mechanics, expressions for calculating the stresses and displacements in the vicinity of the crack tip are deduced on the basis of the assumption that a fracture surface is a smooth surface or that a crack is a smooth crack. In fact, the surface of a crack formed during the fracture is usually very irregular. So the real asymptotic form of the stress and displacement fields at the crack tip is different from the classic one. Considering the irregularity of a real fracture surface or a real crack profile, the crack is taken as a fractal one, and then the real asymptotic form at the crack tip is developed by applying Griffith’s energy balance principle and fractal geometry. Through the developed asymptotic form, it is discovered that the fractality of the crack reduces the stress singularity at the crack tip.

     

Influence of fractality of fracture surfaces on stress and displacement fields at crack tips

In the classic theory of fracture mechanics, expressions for calculating the stresses and displacements in the vicinity of the crack tip are deduced on the basis of the assumption that a fracture surface is a smooth surface or that a crack is a smooth crack. In fact, the surface of a crack formed during the fracture is usually very irregular. So the real asymptotic form of the stress and displacement fields at the crack tip is different from the classic one. Considering the irregularity of a real fracture surface or a real crack profile, the crack is taken as a fractal one, and then the real asymptotic form at the crack tip is developed by applying Griffith’s energy balance principle and fractal geometry. Through the developed asymptotic form, it is discovered that the fractality of the crack reduces the stress singularity at the crack tip.     

静载下连杆裂解裂尖塑性区及其对裂解质量的影响

对静载条件下连杆裂解过程进行了数值分析,将连杆裂尖附近塑性区形状与理想状态进行了对比,定性给出了连杆断裂前裂纹区应力应变状态,并据此分析了不同位置的断裂状态。结果表明,连杆厚度方向不同的层面处于不同的平面应变与平面应力状态,裂尖塑性区大小也不同,启裂首先发生在塑性区较早达到变形极限的平面应变区。裂尖塑性区的差异造成启裂点散布、裂纹扩展不同步,扩展路径不同,极易造成裂纹分叉、交汇异常等问题,并引起撕裂、崩角、断裂面台阶、夹屑、外缘爆口等裂解缺陷,从而影响连杆裂解加工质量。     

受纯扭正交异性双材料的界面裂纹尖端场

通过构造特殊的挠度函数,利用复合材料断裂复变方法,对正交异性双材料在受纯扭曲载荷作用下的界面裂纹尖端进行了探讨。在特征方程组的判别式都小于零时,通过求解两个八元齐次线性方程组,推出了含两个实奇异指数的应力函数,并得到了界面裂纹尖端附近的弯矩、扭矩的计算公式。     

基于孔隙压力黏结单元的准脆性材料水力劈裂模拟

传统数值方法对水力劈裂的模拟一般采用预设裂缝扩展路径,且将水流作用等效为压力荷载,难以反映裂缝渗流-开裂耦合效应. 采用自编程Python脚本程序批量插入孔隙压力黏结单元,考虑裂缝渗流-开裂耦合作用模拟准脆性材料水力劈裂随机扩展全过程. 在对经典理论模型及试验结果模拟验证的基础上,开展含多裂缝均质模型的水力劈裂全过程分析,并进一步建立混凝土细观尺度水力劈裂模型,分析骨料、界面过渡区和基体渗透性对混凝土劈裂全过程的影响. 结果表明,本研究模型可以有效模拟准脆性材料水力劈裂失效过程,准脆性材料多缝开裂过程伴随微裂缝的分叉扩展而非光滑的裂缝扩展路径,骨料及界面过渡区影响劈裂扩展路径造成裂缝分叉出现,混凝土基体的渗透性对其抵抗水力劈裂不利并影响失效软化过程.     

表面附近Ⅰ型非对称裂纹扩展路径的评价

为了解决有限几何体表面附近I型非对称裂纹的扩展方向与扩展轨迹问题,以弥补工程断裂力学理论在有关问题研究中的不足,以端部开有一不对称纵向裂缝的悬臂梁为研究对象,分析了悬臂梁端部的裂缝两侧受到横向荷载作用下,裂缝端部附近的应力场特征以及裂缝可能的扩展轨迹.通过材料力学与线弹性断裂力学理论的结合,解析了平面条件下,有限几何体表面附近I型非对称裂纹的扩展机理及弧形扩展轨迹.建立起一个比较符合表面附近I型非对称裂纹扩展路径的数学力学模型.利用该模型,可以从理论上有效地分析有限几何体表面附近I型非对称裂纹的扩展路径.     

金属韧性启裂的微观模型

通过对金属韧性断裂的裂尖物理图象分析,提出了一种新的韧性启裂模型,在此基础上,结合钝化裂纹顶端的应力分布,导出了金属断裂韧性,拉伸性能以及伸张区宽度之间的关系,并得到了实验的验证。     

受内压作用的管道表面斜裂纹尖端应力强度因子分析

裂纹是压力管道最危险的一种缺陷,是导致压力管道各种事故的主要原因。因此,依据断裂力学的相关概念,运用ANSYS有限元软件,建立了受内压作用的压力管道及其表面具有不同周向夹角的斜裂纹的三维模型,并对裂纹尖端的应力强度因子进行有限元计算及分析,得出了裂纹的应力强度因子随裂纹角度的变化而变化的规律。定量分析了裂纹尖端应力场的强弱,为压力管道表面斜裂纹的研究提供了一定的数据支持。     

基于能量释放率的Ⅱ型裂纹开裂分析

分叉开裂问题是一个新型的断裂力学问题, 本文利用经典Ji - 积分守恒律, 对部分路径积分, 分析Ⅱ 型裂纹分叉开裂时能量释放率, 并指出裂纹边界分叉开裂的应力强度因子与Ji - 积分的关系。当裂尖奇异应力场的 应力集中达到一定程度时, 即达到临界条件时, 该应力场所在的边界将开裂, 通过边界移动的能量释放率的分析定 量地给出了边界分叉开裂能量释放率数学表征及边界开裂的极限临界载荷。     

扩展有限元法在重力坝断裂分析中的应用研究

扩展有限元法是近年来发展起来的分析不连续问题(特别是断裂问题)的一种有效方法。介绍了扩展有限元法的基本原理,给出了采用扩展有限元法进行裂纹扩展分析的方法,最后采用扩展有限元法模拟了混凝土重力坝坝踵裂缝扩展过程,分析了其变形、应力场分布规律。算例表明扩展有限元法在进行断裂分析时克服了常规有限元法的缺点,避免了常规有限元法在分析断裂问题时繁琐的前处理过程,不需要裂纹面与有限元网格一致,不需要在裂缝周围布置高密度网格,模拟裂纹扩展过程时不需要不断地重新划分网格,展示了扩展有限元法在大坝开裂分析中的独特优势。     

裂纹尖端的位错密度及其应用

本文为弹性断裂力学分析提供了一个新的变量：位错密度．并论证了这一变量在裂纹尖端具有1√r所阶的奇异性．分别给出了三类裂纹问题裂尖位错密度与应力强度因子的关系，对这一变量在数值计算中的应用进行了探讨．     

Size effect of deformation nanotwin bundles on their strengthening and toughening in heterogeneous nanostructured Cu

Herein, we fabricated a heterogeneous nanostructured Cu with deformation nanotwin bundles(NTBs) embedded in a matrix of nanograins by means of dynamic plastic deformation at liquid nitrogen temperature. We conducted fracture mechanical measurements to investigate the effect of longitudinal length of the NTBs on their strengthening and toughening. Results suggest that an increase in the NTB length had a marginal influence on the tensile strength; however, it remarkably promoted both fracture initiation toughness and crack growth toughness. Longer NTBs are more effective not only in intrinsically enhancing crack tip plasticity by suppressing the strain localization and void nucleation but also in serving as crack bridges behind the crack front to extrinsically resist the fracture by shielding the crack tip.     

平面压痕的极限开裂角与临界载荷

当矩形平端刚性压头作用在无摩擦弹性基体的表面时, 在基体表面生成一个平面压痕, 同时在压痕边界处的近表面诱生奇异应力场, 该奇异应力场的奇异性与裂纹尖端I -型应力场的奇异性同价, 使平面压痕的表面产生断裂型开裂。利用能量释放率原理, 分析压痕边界断裂开裂的极限开裂角、极限开裂载荷等相关问题。     

混凝土断裂电磁发射理论研究

对混凝土断裂时的电磁发射现象进行了理论研究,研究表明:混凝土断裂电磁发射是由于裂纹尖端电荷随着裂纹的加速扩展运动而产生.应用断裂力学理论分析了混凝土断裂时初始裂纹长度与裂纹扩展加速度之间的关系,并对影响裂纹扩展速度和加速度的相关因素进行了分析.根据实验结果,利用电磁学理论,分析了由于裂纹尖端电荷的加速运动所激发的电磁场强度及其频谱特性.     

Effect of fine precipitates on initiation and propagation of micro-cracks in low alloy Cr-Mo-V steel

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｃｏａｒｓｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ,ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｔｈｅｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｃａｒｂｉｄｅｓ,ｃａｎｃｒａｃｋｄｕｒｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｒｅｓｕｌｔｉｎｃｌｅａｖａｇｅｆａｉｌｕｒｅ,ｂｒｉｎｇｄｏｗｎｔｈｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｓｔｅｅｌｓ[1].Ｈｏｗｅｖｅｒ,ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｆｉｎｅｓｃａｌｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ(ｌｅｓｓｔｈａｎ100ｎｍｉｎｓｉｚｅ)ｏｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｆｒａｃｔｕｒｅｂｅｈａｖｉｏｒ…     

考虑偶应力影响的有限大板单边裂纹计算

裂纹尖端存在很大的应变梯度,应变梯度效应对裂纹尖端附近的应力场和微尺度下的断裂行为产生显著影响.本文采用基于偶应力理论的无网格迦辽金法计算有限大板单边裂纹尖端的应力场和应力强度因子,分析了偶应力对裂纹尖端的影响.计算结果表明基于偶应力理论的无网格法的有效性和可行性.     

压铸模具失效分析

利用扫描电镜对失效压铸模具热疲劳裂纹的宏观、微观、断口形貌进行了分析．分析表明,裂纹尖端不断分枝,裂纹内的氧化物内部被破坏,并产生了新的裂纹．热疲劳断口形貌为典型的沿晶加韧窝混合型断口．     

硬质合金疲劳行为研究

用远场循环压缩方法在淬火硬质合金试件缺口端部引发了自行中止的Ⅰ型疲劳裂纹，在三点弯曲循环载荷下该疲劳裂纹继续扩展，对裂纹扩展的各阶段的断口作了比较和解释。     

裂尖损伤对弹塑性断裂特征量的影响

依据Lemaitre损伤演化模型，建立了裂尖塑性区内损伤材料的损伤演化，并对金属材料裂纹尖端损伤以及弹塑性断裂有关特征量的影响进行了分析．     

复合型裂纹扩展的形状改变比能准则

为了预测金属材料裂纹在小范围屈服时的延性断裂，以复合型裂纹为研究对象，将裂纹前缘塑性屈服区内的总形状改变比能用于建立复合型裂纹的断裂准则。该准则表明了金属材料裂纹在扩展过程中，起决定作用的是形状改变比能，而不是整个应变能。能成功地预测了复合型裂纹的启裂角度以及临界荷载，将其结果与Sih的S准则和实验数据结果进行了比较。结果表明，复合型裂纹扩展的形状改变比能准则，在预测裂纹启裂角方面优于S准则，并且预测的临界荷载偏保守。在工程上，将其应用于复合型裂纹断裂判定是安全的。