脆性材料在双向应力下的断裂和失效研究

采用热力学方法对脆性薄片试样成功地进行了双向和单向平面拉伸试验,通过观察和记录试片中心的直通裂纹的扩展和断裂过程,测试出玻璃和陶瓷薄片的断裂韧性在双向和单向拉伸载荷时的差别．结果表明双向拉伸使裂纹阻力增强,平行于裂纹的应力对裂纹扩展有影响．该研究表明,对线弹性材料在双向载荷作用下,传统的应力强度因子准则不适用．裂纹张开的应变依赖性被证实在双向应力的断裂评价中．     

求解双材料界面裂纹应力强度因子的扩展有限元法

基于双材料界面裂纹尖端的基本解,构造扩展有限元法(eXtended Finite Element Methods, XFEM)裂尖单元结点的改进函数。有限元网格剖分不遵从材料界面,考虑3种类型的结点改进函数：弱不连续改进函数、Heaviside改进函数和裂尖改进函数,建立XFEM的位移模式,给出计算双材料界面裂纹应力强度因子(Stress Intensity Factors, SIFs)的相互作用积分方法。数值结果表明：XFEM无需遵从材料界面剖分网格,该文的方法能够准确评价双材料界面裂纹尖端的SIFs。     

扩展有限元法在裂纹扩展问题中的应用

扩展有限元法(Extended finite element method,XFEM)是近几年发展起来的数值方法,属于传统有限元法的扩展,具有区别于传统有限元法的优点,在求解不连续断裂问题上具有更高的精度及效率。本文针对影响裂纹扩展的主要因素进行探讨,继而介绍扩展有限元的基本原理,并对其在裂纹扩展中的应用进行综述,同时对该方法的下一步研究进行了展望。     

奇异薄层单元及其在双材料界面断裂分析中的应用

构造了一种平面应力奇异薄层单元并证明了其具有-1/2阶奇异性。用此单元研究了双材料界面层的刚度对界面裂纹尖端场的影响。研究发现:对于I 型界面断裂, 减小界面法向刚度对K_Ⅰ、K_Ⅱ的影响远大于减小界面切向刚度, 且法向和切向刚度的减小对K_Ⅱ的影响均大于对K_Ⅰ的影响, 降低法向刚度会显著改变裂尖正应力和剪应力的分布, 而降低切向刚度只明显改变剪应力的分布, 对正应力的分布影响不大;对于界面II 型断裂, 则减小切向刚度对K_Ⅰ、K_Ⅱ的影响远大于减小法向刚度, 且切向、法向刚度的减小对K_Ⅰ影响均大于对K_Ⅱ影响, 降低切向刚度会显著改变裂尖正应力和剪应力的分布, 而降低法向刚度只明显改变裂尖正应力的分布, 对剪应力的分布影响不大。随着界面刚度增大, 应力强度因子和裂尖应力分布均趋近无厚度理想界面情况。     

不同围压下共面双裂隙脆性砂岩裂纹演化特性颗粒流模拟研究

岩体中含有大量节理、裂隙、断层等各类结构面,结构面在应力作用下的扩展与贯通是导致岩体破坏的重要原因。数值流形方法(NMM)可以有效模拟连续和非连续问题,然而,其在多裂纹动态扩展的模拟方面仍处于探索阶段。该文以线弹性断裂力学原理为基础,提出了一种基于高阶数值流形方法的多裂纹扩展模拟算法。通过在基函数中增加关键项来考虑裂纹尖端位移场的奇异性;裂纹尖端的应力强度因子则采用了J积分来计算;Ⅰ型-Ⅱ型混合裂纹的开裂和扩展方向依据最大周向拉应力准则来判断;采用假设-修正的多裂纹扩展算法解决了多裂纹的扩展问题。根据强化后的基函数,对于不符合单纯形积分形式的被积函数,采用了泰勒级数展开式计算近似解。通过多个静态裂纹扩展的经典问题的数值模拟对计算方法的合理性和计算精度及进行了验证。     

38CrNi3MoVA钢应力腐蚀性能及临界裂纹尺寸研究

本文采用预裂纹试样研究了38CrNi3MoVA钢在3.5%(质量浓度)NaCl水溶液腐蚀介质中的应力腐蚀性能,并由此计算出材料的临界裂纹尺寸,由试验结果可知,该材料具有较好的抗3.5%(质量浓度)NaCl水溶液腐蚀性能和很高的使用可靠性。     

几何非线性扩展有限元法及其断裂力学应用

该文将扩展有限元方法应用到几何非线性及断裂力学问题中,并研制开发了扩展有限元Fortran程序。扩展有限元法其计算网格与不连续面相互独立,因此模拟移动的不连续面时无需对网格进行重新剖分。该文推导了几何非线性扩展有限元法的公式,在常规有限元位移模式中,基于单位分解的思想加进一个阶跃函数和二维渐近裂尖位移场,反映裂纹处位移的不连续性,并用2个水平集函数表示裂纹;采用拉格朗日描述方程建立了有限变形几何非线性扩展有限元方程;采用多点位移外推法计算裂纹应力强度因子并通过最小二乘法拟合得到更精确的结果。最后给出的大变形算例表明该文提出的几何非线性的断裂力学扩展有限元方法和相应的计算机程序是合理可行的,而且对于含裂纹及裂纹扩展的问题,扩展有限元法优于传统的有限元法。     

HT有限元在Ⅰ、Ⅱ与Ⅲ型复合弹性断裂问题中的应用

探讨了HT有限元应用于Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型复合裂纹的弹性断裂问题。分析了Ⅲ型弹性断裂问题的HT有限元方法及高阶奇异性应力强度因子KΙΙΙ,同时,对Ⅰ和Ⅱ型断裂问题的HT有限元原理及断裂强度因子KΙ和KΙΙ的计算也进行了阐述。特别地,在计算三个强度因子时,引入了一种新的方法——附加试函数法,它主要用于满足裂尖特殊的边界条件,提高了三个奇异应力强度因子的精确性与可靠性。最后,根据HT有限元计算结果,讨论了奇异应力强度因子无量纲化系数K/Kc随裂纹单元特殊T函数项数、细划单元数、单元高斯点数及裂尖不同附加试函数的变化规律;获得了应力强度因子精确度和可靠度,并与其它有限元结果进行了比较,阐述了此方法的优越性。     

主动控制裂纹扩展的一种新型复合材料构件的研究

将形状记忆合金—NiTi丝复合于普通材料构件内,杂交成一种新型复合材料构件,使其具有传感元件和作动元件的特殊功能,可以用于对构件内部裂纹的扩展进行主动控制,本文利用光弹技术和云纹干涉技术对上述材料构件进行了试验研究,证明主动控制裂纹扩展的效果是明显的。     

镁铝碳酸根型LDH与聚氯乙烯的复合性能研究

研究了改性MgAl-CO2-₃型层状双金属复合氢氧化物(LDH)对聚氯乙烯(PVC)的复合和热稳定效果。结果表明:复配型硅烷偶联剂、硅烷偶联剂和铝钛复合偶联剂改性的LDH比未改性LDH在PVC中分散得均匀,团聚度减小,而且所得复合材料的力学性能均有所提高。LDH/PVC复合材料比未加LDH的空白PVC静态热稳定性好,而改性LDH/PVC比未改性LDH/PVC热稳定性好。但随着LDH加入量增加,LDH/PVC复合材料的热稳定性会降低。     

含曲线裂纹柱体扭转问题的新边界元法

研究了带曲线裂纹柱体的扭转断裂问题,推导出了可以直接应用于任意形状截面含有任意形状曲线裂纹的柱体扭转问题的新的边界积分方程,并建立了带裂纹柱体扭转问题的边界元数值计算方法,提出了裂纹尖端的奇异元和线性元插值模型,给出了抗扭刚度和应力强度因子的边界元计算公式。该文对含有圆弧裂纹、曲线裂纹及直线裂纹的不同截面形状柱体的典型问题进行了数值计算,所得结果证明了边界元方法的正确性和有效性。     

纳达依（Nadai）表达式与真实扭转应力的测定方法

对纳达依表达式作了简单证明，以表明它具有严格性，而并非为经验公式，将纳达依表达式应用于圆柱形式样扭转试验时真实扭转应力的测定。提出了一种新而简单的真实扭转应力测定方法，即图解法，用此法对铝合金和钢测定其真实扭转应力，并与常用方法所测定的名义和扭转应力相比较，结果表明，名义的规定非比例扭转反应和名义的抗扭强度较大地高于真实的规定非比例扭转应力和真实抗扭强度，这是因为名义扭转应力和名义抗扭强度的测定和     

双重网格的动态应力差分法及其应用

针对任意四边形网格模型,提出了双重网格动态应力差分法,结合Green公式,导出了在双重网格下基于应力为基本量的差分公式。然后考虑积分沙漏、静态阻尼的情况,使用VB.NET语言编写了动态应力差分法的底层函数,最后编写了相应的应力有限差分法DMFD程序。利用DMFD程序模拟了有限长岩柱中纵波的传播规律,得到了和理论解十分相符的结果,证明了该算法及DMFD程序的有效性。最后使用DMFD程序模拟了牛头山水电站的现场爆破实验,其结果与现场爆破实验结果相吻合,比UDEC的模拟结果更接近现场测试结果。     

钢-混凝土双面组合作用梁基本力学性能试验研究与数值模拟

为了研究钢-混凝土双面组合作用梁基本力学性能,设计了2个两跨连续组合梁试件,对其进行静力加载试验,并与有限元模拟结果进行对比。研究结果表明：双面组合作用梁下部混凝土板可分担钢梁压力,其组合作用有利于钢梁下翼缘的稳定性,但对于腹板的稳定性不起作用。组合梁在按照完全抗剪连接进行设计时,可不考虑界面滑移的影响;与普通组合作用梁相比,双面组合作用梁抗弯刚度更大,其负弯矩区长度可延长约28.3%。相同荷载作用下,双面组合作用梁负弯矩值较低,可延缓上部混凝土板的开裂,有效控制混凝土板裂缝宽度和裂缝区范围。下部混凝土板长度按照完全抗剪连接设计的最小长度取值即可,不必过长。ABAQUS有限元模型分析结果与试验结果吻合良好,可较好地模拟组合梁受力性能。提高双面组合作用连续梁下部混凝土板的强度,可有效提高组合梁的承载力和刚度,受力更合理。     

用疲劳方法预测聚乙烯管材抗慢速裂纹扩展能力

本文用疲劳断裂力学方法对聚乙烯管材进行了抗疲劳裂纹扩展能力的研究,从而给出了一种快速预测这些材料长期使用性能的新方法。     

A NEW METHOD FOR THE MEASUREMENT OF MODE II FATIGUE THRESHOLD STRESS INTENSITY FACTOR RANGE ΔKτth

Abstract— In order to evaluate the threshold value Δ K _τth for mode II fatigue crack growth, a new measurement method of mode II fatigue crack growth has been developed. This method uses a conventional closed-loop tension—compression fatigue testing machine without additional loading attachments. Mode II fatigue tests for structural steel and rail steel have been carried out. This method has proved successful and has reproduced mode II fatigue fracture surfaces similar to those found in the spalling of industrial steel-making rolls. The crack length during testing was measured by an AC potential method. The relationships between d a /d N and Δ K _τ and AK _τth for several materials have been obtained.     

短纤维复合材料刚度特性的有限元随机能量法预报

本文基于能量等效原理,采用有限元法和随机统计试验的Monte-Carlo方法相结合的随机分析数值方法,提出了可用于短纤维复合材料刚度预报的有限元随机能量法.文中还以碳纤维/AG3合金、碳纤维/GA321合金和钢纤维/尿烷复合材料为例,用本文方法对其刚度特性进行理论预报,所得理论预报与试验值吻合很好,说明本文提出的分析模型和方法是有效的.     

短剪切型消能梁段的力学性能及其影响因素研究

已有研究表明,长度比小于1.0的短剪切型消能梁段与普通剪切型消能梁段的超强系数和塑性转角存在较大差异。该文基于Q235和Q345钢材,设计108个考虑加劲肋间距、翼缘与腹板面积比、翼缘强度和跨高比等因素的模型,并采用与已有试验结果对比验证的有限元分析方法,详细研究短剪切型消能梁段的力学性能及各因素的影响规律。结果表明,短剪切型消能梁段的超强系数和塑性转角分别能达到1.90和0.13,加劲肋间距系数和翼缘宽厚比可分别放宽至40和10√235/f_y。另外,增大翼腹比可有效提高短剪切型消能梁段腹板受剪屈服后的承载力,但改变翼缘强度和跨高比对其性能无明显影响。