基于ABAQUS二次开发的巴西圆盘断裂机理

针对含中心裂纹的巴西圆盘开裂模型利用ABAQUS进行了参数化二次开发,基于扩展有限元法和最大周向应力准则对试件裂纹扩展进行数值模拟并验证,研究了围压对裂纹扩展以及裂纹尖端应力强度因子和T应力的影响.研究结果表明,试件在预制裂纹尖端发生起裂并沿最大周向应力方向扩展.随着裂纹倾角增大,Ⅰ型应力强度因子逐渐减小,Ⅱ型应力强度因子呈现先增大后减小的趋势,T应力逐渐增大.随着围压数值的升高,试件的断裂韧度增大,T应力增大,而Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子几乎不受影响.     

基于裂纹界面摩擦滑动演化的岩石断裂研究

为了研究压剪应力共同作用下岩石裂纹变形演化机制,开展了压剪作用下含裂纹岩石断裂实验研究,采用数字散斑相关方法作为观测手段,获得了加载过程中岩石表面位移场演化、裂纹界面摩擦滑动演化、裂纹尖端应力强度因子等与岩石断裂扩展对应关系.结果表明:随着岩石表面位移场的演化,裂纹尖端阻碍了位移传递,形成了压应变集中区.随着剪力增加,裂纹上下界面滑动位移经历了无滑移、单调增加和波动增加3个阶段.裂纹扩展及尖端应力分布与裂纹界面摩擦滑动状态密切相关,当裂纹界面处于静摩擦状态时,裂纹尖端应力强度因子变化较小;当裂纹界面处于滑动状态时,裂纹尖端应力强度因子随着裂纹界面局部滑动呈波动增加.     

胶接补强的含裂纹平板断裂特性的研究

为了提高含裂纹构件的承载能力,减少灾难性破坏事故的发生,近年来Jones等用胶粘剂将纤维增强复合材料胶接在构件中的裂纹部位,对飞机结构进行了成功的止裂。由于问题的复杂性,这类局部补强结构的应力强度因子,至今仍无解析解。作者用金属补钉代替纤维增强复合材料,用电测法研究了中心穿透裂纹试样补强后的应变场。试验表明:局部区域用补钉胶接后,平板中的裂纹扩展仍具有原有穿透裂纹的性质。由此,作者提出了等效应力强度因子,并根据实测的应变值,计算了等效应力强度因子。结果指出胶接金属补钉后,裂纹尖端处的应力强度因子可大幅度地降低;其承载能力较补强前提高50～90％。     

复杂应力状态下TBM刀盘裂纹应力强度因子分析

为了预测全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘的疲劳寿命,本文对其裂纹尖端的应力强度因子进行了研究。以某水利工程的刀盘为研究对象,采用基于子模型技术的有限元法分析复杂应力状态下刀盘裂纹的应力强度因子,并给出了不同裂纹参数对应力强度因子的影响规律,为刀盘裂纹扩展寿命的预测提供输入条件。分析表明,当裂纹位置角为45°或135°时,裂纹尖端的等效应力强度因子最大,对结构损伤最严重;形状比对K_Ⅰ值影响最显著,形状比越大,尖端K_Ⅰ值相差越大,在深度方向的扩展趋势也越强;K_Ⅰ、K_Ⅱ及K_Ⅲ值均随裂纹深度的增加而增大,裂纹尖端最深处以张开型扩展形式为主,而表面点则是3种开裂形式并存。     

基体界面屈服强度和残余应力失配对界面裂纹扩展的影响

对基体界面屈服强度和残余应力失配情况下的界面裂纹扩展机制进行了力学理论分析,并通过位错与裂纹的关系理论计算了界面裂纹尖端塑性区尺寸。结果表明:当界面裂纹由低强度区向高强度区扩展时,高强度区的残余压应力和屈服强度减少了裂纹尖端的塑性区长度和裂纹尖端张开位移,从而起到了抑制界面裂纹扩展的作用。     

广义扩展有限元及其在裂纹扩展中的应用

广义扩展有限元是广义有限元和扩展有限元两者结合起来形成的一种新的数值方法。介绍了广义扩展有限元的基本原理并推导了相应的公式,提出了将Westergaard裂纹尖端奇异场的基函数作为结点位移插值函数,探讨了数值积分策略,给出了裂纹尖端应力强度因子的计算方法,编写广义扩展有限元程序。通过典型含裂纹平板的计算,表明广义扩展有限元计算应力强度因子精度更高,也不需要划分过密的网格。     

Ⅰ-Ⅱ型裂纹发展的剪应力准则研究

将Ⅰ-Ⅱ型裂纹表面的剪应力引入裂尖应力强度因子的计算,获得了含中心闭合裂纹在不同裂纹长度、倾角以及摩擦系数下裂纹尖端的应力强度因子值。引入等径向剪应力线τrθ这一概念,在预测裂纹发生临界扩展时提出以下两个假设：闭合裂纹将沿着等τrθ线上双剪应力和最小的方向扩展;裂纹尖端的应力强度因子KⅡ达到材料的临界值KⅡc,裂纹将开始扩展;建立了Ⅰ-Ⅱ型闭合裂纹的剪应力准则。利用所建立的断裂判据计算求得的临界起裂角鼠与各种经典复合型断裂准则计算裂纹起裂角的结果较为接近,将其应用于Ⅰ-Ⅱ型裂纹的断裂判定是安全的。     

涂层中裂纹应力强度因子的计算及裂纹扩展

在涂层工作过程中,由于喷涂材料硬度高、抗裂性能差、喷涂工件刚性大工件表面产生应力集中,涂层很容易产生裂纹.对于含初始裂纹的喷涂材料,在拉伸载荷作用下裂纹的扩展与裂尖应力强度因子有很大的关系,根据断裂力学的基本原理,提出了利用数值模拟的方法来计算裂纹尖端的应力强度因子.并讨论了裂纹前沿网格划分对应力强度因子的影响,预测了裂纹扩展时形状的变化.     

双孔切槽爆破裂纹扩展的动焦散实验

应用爆炸加载动态焦散线测试系统,研究了不同切槽方式下,双孔同时起爆时贯穿裂纹的扩展行为及裂纹尖端应力强度因子的变化情况.实验结果表明：炮孔间两切槽方向优先扩展的主裂纹,裂纹尖端并未直接相遇,而是发生偏转并移向异方已经形成的裂纹.裂纹扩展速度先减小,振荡变化后逐渐升高到峰值,随后减小,振荡变化后直至裂纹止裂.应力强度因子KI由初始时的最大值迅速减小,反复振荡后,又逐渐增大至第2个峰值,之后开始减小.定性的分析了应力波与裂纹尖端相互作用机理.     

含椭圆孔的压电材料反平面应变问题的基本解

用复变函数研究了含椭圆孔的压电材料反平面问题的基本解和裂纹尖端的场强度因子。结果表明：应力强度因子与普通材料的应力强度因子相同，而电位移强度因子与前者有相同的表达形式。     

不同应力比下SiCp/Al复合材料疲劳裂纹扩展行为

为了研究应力比对SiC颗粒增强铝基复合材料疲劳性能的影响,采用真空液态搅拌法制备了SiCp/Al复合材料,并对CT试样循环加载测定其裂纹扩展曲线.研究了三种不同应力比下的裂纹扩展行为,结果表明:随着应力比R增大,疲劳裂纹扩展速率da/dN降低.疲劳裂纹的断口形貌塑性断裂越明显,裂纹尖端塑性区增大,裂纹尖端钝化越显著,二次裂纹数量增加.     

HfC颗粒对WC/Co复合材料裂纹萌生和扩展行为的影响

以提高材料的韧性为目的,通过冷压、热压工艺制备出碳化钨基复合材料,对其断裂韧性、弯曲强度进行测试;利用SEM对HfC/WC/Co复合材料的微观形貌进行观察;基于裂纹扩展能量释放公式,构建了裂纹直行、裂纹偏转和裂纹分叉的应力强度因子与裂纹长度的数学模型;借助仿真软件ABAQUS对裂纹直行、裂纹偏转、裂纹分叉、裂纹钉扎4种裂纹扩展方式进行了仿真验证;结果表明:添加适量的HfC可以有效改善复合材料的断裂韧性和弯曲强度;HfC和Co在基体中均匀分布,对复合材料强度和韧性的提高具有明显作用,改善机制为裂纹偏转、裂纹分叉、裂纹钉扎、穿晶断裂等协同作用将裂纹扩展尖端的应力分散或转移到HfC上,从而降低基体中裂纹尖端的应力集中,提高复合材料的韧性。     

涂层中裂纹应力强度因子的计算及裂纹扩展

在涂层工作过程中，由于喷涂材料硬度高、抗裂性能差、喷涂工件刚性大工件表面产生应力集中，涂层很容易产生裂纹．对于含初始裂纹的喷涂材料，在拉伸载荷作用下裂纹的扩展与裂尖应力强度因子有很大的关系，根据断裂力学的基本原理，提出了利用数值模拟的方法来计算裂纹尖端的应力强度因子．并讨论了裂纹前沿网格划分对应力强度因子的影响，预测了裂纹扩展时形状的变化．     

平板穿透裂纹尖端应力强度因子计算方法研究

针对应力强度因子的求解问题,提出了基于平板穿透裂纹的最大张口位移计算裂纹尖端应力强度因子的新方法.首先根据Westergaard应力函数推导出具有中心穿透裂纹的无限大平板模型受两向均匀拉伸载荷时,裂纹最大张口位移与裂纹尖端应力强度因子之间的数学关系,然后利用有限元模拟计算研究了该数学关系针对含穿透裂纹的有限尺寸平板模型...     

疲劳载荷循环比与频率对裂纹扩展速率的影响

主要研究了具有不同循环比与不同加载频率的疲劳载荷作用下线弹性裂纹扩展问题.通过分析论证,定量地计算出具有不同循环比与不同加载频率的疲劳载荷作用下直线裂纹和弯曲裂纹的扩展速率.综合考虑了疲劳作用应力、裂纹尖端应力强度因子的变化幅值,总结出直线裂纹和弯曲裂纹扩展速率关于疲劳载荷循环比和加载频率的变化函数.     

节理介质中爆炸裂纹扩展的细观行为研究

利用爆炸加载动焦散测试系统 ,进行了有机玻璃材料的透射式动焦散模型试验 ,对含人工节理的材料中爆生裂纹扩展的细观行为进行了研究 ,获得了爆生裂纹扩展穿过节理的一般规律 .试验表明 ,爆生裂纹穿过节理时 ,并不是直接沿原方向 ,而是偏离一段距离后继续扩展 ,爆生裂纹的扩展与切缝和节理的夹角以及炮孔与节理间的距离有直接关系 .对穿过节理前后爆生裂纹尖端应力强度因子的定量分析结果表明 ,由于节理的影响 ,应力强度因子存在 2个峰值点     

身管内膛涂层界面裂纹的应力强度因子分析

针对火炮身管内膛的损伤、裂纹扩展及涂层剥落问题,基于断裂力学理论,结合有限元分析软件ANSYS对火炮身管内膛涂层界面裂纹进行仿真分析.应用APDL语言对内膛基体与涂层的界面裂纹结构进行参数化建模,对裂纹尖端应力场进行分析,探究不同裂纹尺寸、载荷等因素对界面裂纹扩展及I型、II型应力强度因子的影响.结果表明,I型、II型...     

不同夹角Y型裂纹混凝土试样破坏特征的研究

为了研究非对称Y型分支裂纹在压缩荷载下的起裂及其扩展规律,对含预制裂缝混凝土试件进行了实验研究和相应的数值模拟研究。试验采用水泥砂浆材料制作的含非对称Y型裂纹的正方形试件,利用自制的3向加载设备进行加载并测得其最大载荷。同时利用ABAQUS软件进行了数值计算,并与试验结果进行了对比分析。试验和数值计算结果均表明:随着分支裂纹与主裂纹之间夹角θ的增大,分支裂纹尖端的Ⅰ型应力强度因子从负值变化到正值,而水平主裂纹的两个尖端的Ⅰ型应力强度因子的绝对值均增大。分支裂纹的Ⅱ型应力强度因子先减小后增加,并在30°~45°之间出现极值。当倾角θ为75°时试件的抗压强度最低,当θ为90°时的强度次之。     

含多裂隙煤体裂纹细观演化规律与相互作用机制

煤体中裂隙具有随机分布的特点,其位置分布及载荷作用下相互作用影响着煤体的稳定性.因此,为阐明煤体内多裂隙扩展演化规律及相互作用机制,文中开展了含随机三裂隙煤样的单轴压缩试验,借助数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)监测试样变形过程,并采用数值模拟基于细观角度验证了裂纹的孕育、扩展及贯通的演化过程.另外,基于经典Kachanov法和应力场分析法推导并验证了单轴受压状态下有限板三裂隙尖端的应力强度因子表达式.研究结果表明:裂纹间相互作用对尖端应力强度因子影响可分划为增大、减小、无影响3种形式,根据推导所得有限板多裂隙尖端的应力强度因子表达式,可计算裂隙随机分布裂隙尖端应力水平,并且,可结合应变能密度因子准则准确预测裂隙尖端起裂位置;裂隙位置分布对初始应变场形成局部高应变区具有明显的导向作用,具体表现为：试样受载初期率先在各裂隙尖端产生损伤并逐步演化为局部高应变区,经扩展后形成高应变集中带,继而作为宏观裂纹相应的扩展路径;试样破坏形式为拉剪复合破坏,新生裂纹在加载初期以剪切形式出现,并在裂隙尖端形成翼型裂纹,随载荷继续施加,张拉裂纹数量快速增长,最终...     

断续节理介质爆生裂纹扩展的动焦散实验研究

应用动态焦散线测试系统,模拟断续节理岩体断裂爆破过程,进行了有机玻璃（PMMA）模型透射式动态焦散线实验,研究了无充填和充填断续节理对切缝药包断裂控制爆破裂纹扩展规律的影响和裂纹扩展的机理．结果表明：切缝药包爆炸应力波到达无充填断续节理面后,在节理的两端产生了两条翼裂纹,翼裂纹基本沿原爆生裂纹方向继续扩展,最长达2．5cm,翼裂纹尖端复合应力强度因子呈由小变大再变小连续波动变化的趋势,裂纹扩展速度和加速度变化趋势与应力强度因子变化类似;爆炸应力波到达充填断续节理面后,同样在节理两端产生了两条翼裂纹,翼裂纹向两侧偏移很大,翼裂纹最长达4cm,翼裂纹尖端应力强度因子KI^d呈由小变大再变小连续波动变化的趋势,动态应力强度因子K☆则呈由大变小连续振荡变化的趋势,而且翼裂纹扩展过程中具有起裂时间早、裂纹扩展速度和加速度峰值大的特征．