应力三轴度和应变率对6063铝合金力学性能的影响及材料表征

对6063铝合金试样在不同应力三轴度和不同应变率下进行拉伸试验,得到了该合金在这两种情况下的力学性能.研究结果表明:随着应力三轴度的减小,材料的等效弹性模量、等效屈服应力减小,但等效断裂应变增大;随着应变率逐渐增大,材料的屈服强度和断裂强度略有增大;断裂应变明显减小;抗拉强度基本不变.Johnson-cook本构模型及其断裂应变模型可以用来描述6063铝合金在不同三轴应力度和不同应变率下的本构及失效关系.通过材料表征,得出了Johnson-cook本构模型及其断裂应变模型中各个参数,为有限元(ABAQUS)模拟提供帮助.     

基于形貌的结构钢锈蚀评价指标及提取方法

对现有的锈蚀评价指标进行总结,提出了结构钢锈蚀程度评价指标体系;采用三维非接触式表面形貌仪对人工加速锈蚀钢板进行表面形貌测试,提出基于形貌的锈蚀评价指标提取方法并开发相应的计算程序;对提取结果进行统计分析发现,随着锈蚀龄期的增长,锈蚀损伤参数Dn 逐渐增大,最小截面面积Ama和锈蚀等级参数φ逐渐减小,所有试件均处于轻度锈蚀状态;锈蚀深度均值△tave、锈蚀深度标准差tsd、锈坑深度h及其分布区间均逐渐增大,锈坑密度Pd 逐渐减小,锈坑形状由圆柱体和半球体逐渐向锥体转变.     

一种韧性断裂模型的理论研究和实验验证

为研究高强钢板成形过程中的损伤破裂机理,更准确地预测高强钢的断裂失效行为,基于细观损伤力学的空穴理论,并在屈服函数就是塑性势函数的通用性假设基础上推导了各向同性的韧性断裂模型;同时引入Lode参数以反映不同应变状态下空穴形核、长大以及聚合的差异,提出了一种包含应力三轴度和Lode参数的新模型.在Hill正交各向异性屈服假设下,描述了平面应力状态下应力比值、r值与应力三轴度、等效塑性应变的关系.最后,针对DP590进行了参数确定和实验验证.结果表明:应力三轴度在高强钢韧性断裂中仍然起主导因素,在低应力三轴下,材料主要是剪切型破坏,空穴的长大及聚合方式主要受剪应力影响,高应力三轴下,空穴损伤主要受拉应力影响,断裂是韧窝形的;Lode参数决定了应力组成形式,也间接地反映了应变状态,它与应力三轴度共同决定了空穴损伤的发展.新的模型能较准确地预测DP590的成形极限.     

锈损冷弯薄壁卷边槽钢短柱受压承载力试验研究

为研究锈损对冷弯薄壁型钢短柱受压承载性能的影响,设计加工了6个轴压及6个绕强轴偏心受压短柱试件,首先通过拉伸试验,分析了材料力学性能与锈蚀程度间的关系,然后对试件进行承载力试验,分析其破坏模式、极限承载力及变形特征等特性,结果表明:锈损钢材的屈服、抗拉强度、弹性模量及伸长率均随锈蚀程度的增加呈线性下降趋势。锈损未使短柱试件的最终破坏模式发生变化,但随着偏心距的增大,试件由腹板局部屈曲变为以畸变屈曲为主的耦合破坏模式;在相同锈蚀率条件下,轴压试件的极限承载能力较偏压试件退化更明显。采用ABAQUS有限元软件对试件进行数值模拟,计算结果表明其能够较好的预测试件承载力及屈曲行为。     

钢筋混凝土桥墩截面能力的概率分析

采用随机模拟方法研究钢筋混凝土桥墩截面的屈服曲率、极限曲率、屈服抗弯能力、极限抗弯能力、曲率延性、塑性转动能力以及抗剪能力的概率特性,得到:屈服曲率、屈服抗弯、极限抗弯和抗剪能力服从正态分布;极限曲率服从极值I型分布;曲率延性、塑性转角服从对数正态分布。分析了桥墩轴力(轴压比)变化对上述截面能力的概率分布及变异性的影响,表明:轴力变化基本上不影响它们的概率分布模型,但对其变异性影响较大;对截面的抗弯能力及截面的屈服曲率,其变异系数随轴力的增加而减小,对截面的极限曲率、曲率延性和塑性转角,其变异系数随轴力的增加而增大。     

考虑罗德角参数的钢材薄板延性断裂标定方法

在钢结构中钢梁腹板的断裂表现出很强的剪切断裂特征,因此在预测其断裂行为时除了考虑应力三轴度以外,还应考虑与剪切状态有关的罗德角参数的影响。该文提出了一种适用于钢材薄板延性断裂预测的标定方法。共设计了5组试件,分别为平板试件、开孔平板、开槽平板、90°剪切平板和45°剪切平板。利用平板试件和停机平板试件单向拉伸试验,结合有限元反演得到钢材的全过程真实应力-应变曲线。然后将其代入各试件有限元模型进行计算,标定出各试件对应的等效断裂应变、平均应力三轴度和平均罗德角参数。最后利用Matlab优化工具箱对断裂模型进行优化拟合,确定模型中的各项待定参数。     

基于修正混凝土塑性损伤模型的大应变FRP约束混凝土有限元分析

精确的有限元分析(FEA)依赖于材料的准确定义。通过编写用户子程序UMAT实现了大断裂应变纤维增强聚合物(LRS FRP)在纤维方向上拉伸特性的定义。基于Abaqus中混凝土塑性损伤模型的理论框架,提出了一种改进的混凝土塑性损伤模型用于定义LRS FRP约束混凝土的材料特性。这些改进包括：通过LRS FRP约束混凝土的实验数据校准了与屈服准则相关的参数K;硬化/软化准则与约束刚度相关;流动法则与轴向塑性应变相关。采用修改后的材料模型进行FEA,结果表明：FEA预测的应力-应变曲线与实验结果吻合。基于FEA的结果,讨论了矩形柱截面上应力分布的不均匀性,根据约束效果可分为有效约束区域和弱约束区域,且在约束有效区域上应力分布不均匀性随着截面比(长边/短边)的增加而增加。     

单调荷载下Q345钢焊缝金属的延性断裂性能研究

为了研究Q345钢焊缝金属的延性断裂性能,对9个试件进行了单调荷载下试验研究,试件设计考虑了不同应力三轴度和洛德角分布范围。分别采用Swift、Voce及Swift-Voce混合强化模型,拟合得到了能预测到断裂时的完整应力-应变曲线,其中Swift-Voce混合强化模型模拟各试件荷载-位移曲线精度最好。采用VGM,改进SWDM和Lou模型3种断裂模型,通过编写UVARM子程序,校准了各模型的材料参数,并对各试件进行了有限元断裂模拟预测,比较分析了各个模型的预测精度。结果表明,VGM模型对接近于平面应变状态的矩形缺口和槽板试件的预测结果误差较大,而改进SWDM和Lou模型通过引入洛德角参数来描述偏应力状态,对不同应力状态的试件断裂预测结果精度更高,模型的适用性更好。     

混凝土断裂过程区尺寸的理论推导

分别应用裂缝尖端应力场Westergaader解和Muskhelishvil解,推导了裂缝尖端微裂区轮廓线及特征尺寸的表达式;并根据幂指数描述的应变软化模型,给出了考虑应力松弛影响的断裂过程区(FPZ)总长及等效FPZ长度的解析表达式,探讨了三种脆性破坏强度准则及材料参数对FPZ尺寸的影响。分析结果表明:由莫尔强度准则及最大拉应变准则确定的FPZ轮廓均随拉压强度比和泊松比的减小而逐渐增大,并趋近于由最大拉应力准则确定的FPZ边界;由局部解得到的FPZ尺寸均比全场解小,且仅在应力水平较小、试件很大时适用。     

中应变率加载下云杉各向异性力学行为研究

采用高速加载INSTRON设备对云杉开展100 s-1~102 s-1中应变率压缩实验,研究了材料沿顺纹、横纹径向、弦向、以及径(弦)切面内与顺纹呈15°、30°、45°、60°和75°夹角方向的力学性能。实验表明随着加载方向由顺纹向横纹径(弦)向变化,材料屈服强度逐渐减小,应力-应变曲线塑性流动段由"塑性软化"向"塑性硬化"转变;试件沿不同方向压缩屈服强度表现出较强应变率敏感性。冲击压缩下云杉宏观破坏模式与加载方向相关,沿顺纹方向加载时,试件中部向外膨胀,产生褶皱、纤维屈曲折断;当载荷方向与顺纹夹角逐渐增大时,材料失效模式体现为木材纤维分层滑移、撕裂。采用简化Hill强度理论对中低应变率下云杉空间屈服行为进行了理论描述,不同应变率下云杉空间屈服面为椭圆柱曲面,屈服曲面半径长度随应变率提高而增加。实验与理论分析表明,云杉沿空间不同方向具有各向异性力学特性,屈服强度受应变率和加载方向影响较大,而破坏模式则主要依赖于载荷方向。     

Fracture

In most materials, and especially metals, plastic flow occurs at a stress well below the theoretical strength. Cracks in a stressed material can therefore be expected to have a finite width as a result of plastic flow at the tip, and an attempt is made here to determine the conditions for stability of such cracks. This has led to a criterion of brittleness which is in good agreement with the behaviour of a wide range of materials, and indicates that for very high strength materials a large modulus is necessary.     

Fracture Resistance of Ceramics: Edge Fracture Method

Fracture resistance of macrohomogeneous linear elastic yttria, scandia, alumina, zirconia, and silicon nitride ceramics was studied upon flaking of the edges of rectangular specimens with the Rockwell indenter. The correlation between the obtained estimates and fracture toughness test results gained by the single-edge V-notched beam method was demonstrated. Loads giving rise to the flaking of a part of the edge and distances from this edge to the chip scar on the specimen surface were measured. The ratio of those values was considered as a flaking toughness characteristic. The data obtained were statististically reliable (based on more than a hundred determinations). This procedure termed the edge fracture method can be used along with other known fracture toughness test methods for ceramics, its application is especially advantageous when ceramic item sizes are comparable with those of the standard specimens or when expensive materials (e.g., nanoceramics) are tested. __________ Translated from Problemy Prochnosti, No. 5, pp. 84 – 92, September – October, 2005.     

Fracture mechanics

Book Review

Fracture mechanicsT.L. Anderson, CRC press, inc., Boca Raton, FL     

Fracture Waves Revisited

Self-sustaining fracture waves hypothesized by Galin and Cherepanov (1966) have been observed in shock-compressed glasses and in Prince Rupert’s drops, but their speed did not correspond to the predicted value. This controversy is addressed in the present note. We now assume that this speed is equal to the local velocity of sound in the particulate material just behind the wave front, and show that, then, it is in a reasonable agreement with test data. The specific heat spent on the self-sustaining fracture wave in soda lime glass is estimated to be 1 to 20 J/g for moderately high pressures.     

Fracture of rocks

This report discusses the present state of knowledge with respect to the nature of the fundamental processes involved in rock breakage, both static and dynamic. Particular attention is paid to assessing the applicability to observed breakage phenomena of the several prevalent theories or criteria of rock failure. It is concluded that at best our understanding of rock breakage is inadequate and uncertain, with breakage under dynamic loads being somewhat better understood than under static loads.

---

Zusammenfassung Der Vortrag behandelt unser heutiges Wissen von den fundamentalen statischen und dynamischen Prozessen, die beim Aufbrechen von Felsen vorkommen. Besonders Gewicht ist gelegt auf die Anwendbarkeit einiger vorherschender Theorien von Felspaltungen auf die beobachieten Aufbrecherscheinungen. Der Author kommt zu dern Schluss, dass unser Verständniss von Aufbrechen von Felsgestein unzureichend und lückenhaft ist; Hierbei kann das Brechen unter dynamischen Belastungen etwas besser verstanden werden als das unter statischen Belastungen.

---

Résumé Cet exposé fait etat des connaissances actuelles sur les principales méthodes, tant du point de vue statique que dynamique, de rupture des toches. L' auteur compare les observations experimentales aux théories générales avancées ou aux critères connus de rupture des roches. Il conclue que notre connaissance dans ce domaine est incertaine et insufficiante, les effets dynamique de la rupture étant un peu mieux compris que les effets statiques.

     

Fractal Microstructure of Fracture Surfaces and Fracture Energy of Metals

Using a fractat model, we give a new interpretation of the reversed sigmoidal curves of fracture surface profile length obtained in some experiments. It is pointed out that a single parameter (fractal dimension D) is not sufficient to characterize a fractal curve completely. It is shown that the initiator length L0 is also important to characterize a fractal curve. We have derived a formula which correlate the fracture energy with the fractal parameters of the fracture surfaces and analyzed some experimental data.