弹黏塑性材料稳恒扩展II型裂纹尖端应力场

采用弹黏塑性力学模型,对II型动态扩展裂纹尖端应力场的对数奇异性,进行了分析计算。详细地分析了黏性系数α、马赫数Ma²对裂纹尖端的应力场影响。指出了对数奇异性区域存在的问题,解释了过渡区的成因,对过渡区尖端场解的形式和求解方法做了合理的推测。     

夹杂尖端出现裂纹时应力奇异性分析

 本文应用奇异积分方程理论研究一扁平夹杂尖端出现一裂纹时的应力奇异性问题。得到了裂纹与夹杂端点及交点处的应力奇异性指数,导出了裂纹与夹杂端点处的应力强度因子及交点处的新近应力场。通过数值计算,分析讨论了裂纹与夹杂的各种几何参数及夹杂-母体材料刚度比对裂纹与夹杂相互作用的影响。     

双材料界面裂纹应力强度因子的无网格分析

应用改进的无网格方法对双材料界面裂纹进行了分析,积分区域采用基于节点的Voronoi图,通过在裂纹尖端加密节点提高位移场的计算精度,采用位移外插法确定出应力强度因子,避免了应力场的奇异性和振荡性。本文对由环氧树脂和铝 环氧树脂组成的双材料进行分析,对比了均匀离散、均匀细化和局部细化三种不同模型,通过与光弹性实验结果比较可知,采用裂纹尖端局部细化的模型计算量低并且计算效果好,其计算结果与实验结果基本吻合。     

疲劳裂纹尖端残余应力场的深度-传感压痕测试与有限元分析

 飞机和发动机等重要装备承力结构在服役过程中通常承受变幅疲劳载荷作用。直接测量和分析由于过载塑性变形而导致的裂纹尖端附近残余应力场,对于较好地理解变幅加载下疲劳裂纹扩展行为,从而改善和发展疲劳寿命预测模型具有重要价值。本文基于微细尺度的深度-传感压痕(DSI)残余应力测量技术,研究了材料疲劳裂纹尖端附近残余应力场的实用测试技术,获得了铝合金中心裂纹拉伸试样在恒幅及单峰疲劳过载作用下裂纹尖端附近的残余应力场分布。同时,还采用弹塑性有限元方法模拟分析了相同疲劳载荷下裂纹尖端附近相应的残余应力场分布。相互验证表明:两种方法获得了基本吻合的结果。     

循环热载荷下CMAS 侵蚀对EB-PVD 热障涂层微裂纹特性的影响

为考察钙镁铝硅酸盐（Calcium-Magnesium-Alumino-Silicate,CMAS）侵蚀对柱状晶间微裂纹附近温度场、应力场以及能 量释放率的影响规律,建立含微裂纹的电子束物理气相沉积（Electron Beam-Physical Vapor Deposition,EB-PVD）热障涂层数值模 型。分析了材料常数、裂纹角度及裂纹长度对微裂纹尖端场的影响,详细讨论了循环热载荷下CMAS 对微裂纹特性的影响规律,获得 了CMAS 侵蚀对应力场分布影响的3 个不同阶段。结果表明：裂纹尖端应力随CMAS 侵蚀深度和涂层间热失配的增加而显著增大; 随着CMAS 侵蚀时间的延长,涂层的隔热性能降低,裂纹尖端应力显著增大,易造成涂层的分层剥落失效;随着CMAS 侵蚀深度的增 加,裂纹尖端温度场和应力场以及能量释放率明显变化,且受裂纹角度影响显著。     

基于三维裂纹尖端应力场的应力强度因子计算方法

提出一种基于无限大体裂纹尖端弹性应力场理论解的前几项多项式函数,对实际裂纹体弹性应力场有限元解进行拟合来计算应力强度因子的方法.该方法在计算应力强度因子时不需要预先假设裂纹尖端的应力应变状态,应力强度因子计算结果更符合三维裂纹体裂纹尖端实际的应力应变状态.首先基于二维无限大板中心穿透裂纹应力场理论解验证了方法的有效性,探讨了拟合确定应力强度因子需要的多项式应力函数的项数.然后分别以二维大板中心穿透裂纹、三维大体内埋圆裂纹和三维有限厚板中心穿透裂纹的应力强度因子计算为例,通过与无限大板和无限大体应力强度因子理论解以及基于位移外推法和1/4节点张开位移法的应力强度因子有限元解的对比分析,验证了该方法的有效性和合理性.研究表明该方法能够合理反映三维裂纹体裂纹尖端的实际应力应变状态,计算得到的应力强度因子数值更合理.      

裂纹与一类线型扁平夹杂相互干涉的应力强度因子

本文应用奇异积分方程法研究裂纹与一类线型扁平夹杂相互干涉的弹性力学平面问题。将裂纹与夹杂非相交情况推广到在端点以任意角度相交情况。一对位错和一对集中力的格林函数分别被用以形成裂纹和夹杂。通过对所得奇异积分方程组的奇异性分析,确定了裂纹与夹杂在端点以任意角度相交时端点和交点处的应力奇异性指数。最后导出了裂纹与夹杂尖端应力强度因子的计算公式并进行了一些数值计算。结果表明本文的方法对于处理类似的奇异性问题是非常有效的。     

复合材料裂纹板振动分析

 以往,人们在分析裂纹构件的整体特性时,认为裂纹尖端的奇异性不起主导作用,而只考虑刚度的变化。本文对裂纹构件进行了分析,根据分区广义变分原理,将裂纹板划分成多个区域,利用拉氏乘子,导出了求解裂纹板固有振动特性的变分泛函。最后,用收敛级数法求解了四边简支条件下穿透性裂纹板的振动特性,并与有限元解和实验值进行了比较,得到了一些有益的结论。     

光学材料磨削加工亚表面损伤层深度测量及预测方法研究

针对光学材料磨削加工引入的亚表面损伤层,综合使用磁流变抛光斑点技术和HF差动化学蚀刻速率法测量亚表面裂纹层深度和亚表面残余应力层厚度。建立了亚表面裂纹层深度与表面粗糙度间关系的理论模型,以实现亚表面裂纹层深度的准确预测,并通过分析亚表面裂纹尖端应力场,预测了亚表面裂纹尖端塑性层厚度。     

表面裂纹产生和发展的研究

 本文研究了表面椭圆形缺陷产生疲劳裂纹的规律。结果表明:具有曲率半径为ρ的表面缺陷形成裂纹的寿命N_i=A(（p/△K₁）ⁿ,A=(a(ρ^1/2)^B。α,β,n是材料常数。不出现裂纹的门槛应力场强度因子△K_th和ρ有关。本文用“变载荷勾线法”研究了表面裂纹在拉伸疲劳和弯曲疲劳时裂纹扩展的规律。结果表明:拉伸疲劳时表面裂纹α向和c向扩展速率可用Paris公式描述,且和中心贯穿裂纹发展速率处在同一分散带内。三点弯曲疲劳时情况完全不同,这时用“二维法”来处理更为合适。本文也研究了表面裂纹疲劳扩展时形状变化的规律。结果表明:对三点弯曲,c/a+B/a=1士0.1（a是裂纹深度,2c是长度,B是板厚）。拉伸疲劳时a/c趋于一个稳定的值c/a=0.75士0.1。本工作表明,对浅的表面缺陷,形成宏观裂纹的寿命远比裂纹扩展到临界尺寸的寿命高。因此,对带伤构件进行寿命估算时必须考虑缺陷形成裂纹的寿命。     

基于原子内聚力与表面能等效的内聚裂纹模型

 从非局部连续介质理论出发,采用一种新的理性力学方法对裂纹前缘内聚应力分布规律进行研究。首先,在内聚裂纹表面引入非局部应力边界条件,从而将内聚区内表面诱发张力(非局部表面残余)与内聚应力等价联系起来;然后,利用能量平衡关系,得到仅与表面能密度相关的I型裂纹内聚力新的本构方程。最后,在推导结果的基础上,计算一个具体的脆性断裂算例研究内聚区内表面能与内聚应力随裂纹张开位移(COD)变化的分布规律。由计算结果发现,裂纹尖端应力奇异性消除,且应力最大值不一定出现在裂纹尖端,而是发生在裂纹尖端周围的内聚区内。     

裂纹扩展的无网格数值模拟方法

疲劳断裂是航空材料的重要失效形式 ,由于裂纹尖端应力存在奇异性 ,传统有限元方法模拟裂纹沿任意路径扩展存在很多不足。作为一种新兴的数值模拟方法 ,无网格计算只需将求解问题离散为独立的节点 ,计算过程中可以实时跟踪裂纹尖端区域进行局布细化。将连续的裂纹扩展过程看作多个线性增量 ,每一个增量内裂纹扩展角根据应力强度因子确定 ,通过在裂纹尖端细化节点和引入外部基函数提高了计算精度。本文给出了应用无网格方法模拟裂纹扩展过程的关键技术和计算流程 ,通过对带有中心斜裂纹的 Ti-6 Al-4 V合金平板进行分析 ,预测得到的裂纹扩展路径与实验值吻合的较好。     

光弹性实验断裂力学技术研究及应用

工程结构裂纹尖端应力强度因子(SIF)的确定由于形状、载荷的复杂性、边界条件的不确定性。难以用解析法得到,数值计算也有困难。实验断裂力学以实验手段测量裂纹尖端SIF,弥补上述方法的不足。本文研究了用光弹性方法进行裂纹尖端应力场模拟试验的原理及有关试验技术,使之可以解决较为复杂的工程问题,为开展发动机损伤容限设计提供较精确的SIF。本文还介绍了旋转盘偏心孔孔边裂纹、球罐压力容器表面裂纹的SIF测定的结果。本文研究的方法和技术可以应用于一般工程结构的线弹性断裂力学(LEFM)分析。     

平面应力裂端约束与J控制裂纹稳态扩展

利用有限元法计算模拟了紧凑拉伸和中心裂纹两种试样在Ⅰ型平面应力条件下的裂纹准静态扩展过程。结果表明:两种不同的薄板试样中扩展裂纹尖端约束和应力场完全满足静态裂纹HRR奇异性解的相应要求,即对于扩展裂纹J主导裂端场条件依然有效。值得注意的是:与平面应变情形相反,在平面应力条件下,较高的J主导水平发生在纯拉伸条件下,而较低的J主导水平发生在纯弯曲条件。由两种试样实测及有限元计算模拟的平面应力J阻力曲线符合良好。因而,作为一个独立于试样几何的准则,平面应力J阻力曲线适于表征材料抵抗裂纹稳态扩展阻力,并且能够合理地用于评估给定材料状态条件下的薄壁含裂纹构件和结构的安全性。     

镍基单晶合金CT试样裂纹尖端应力结构及晶体滑移特性

 针对3种不同晶体取向（［001］,［011］,［111］）的镍基单晶合金DD3紧凑拉伸（CT）试样，利用考虑有限变形和晶格转动效应的率相关晶体滑移有限元程序对其裂纹尖端三维应力场进行了弹塑性模拟计算分析，深入考察了裂尖等效应力和滑移系分切应力分布以及滑移系激活规律，并对裂纹扩展路径进行了理论预测和试验研究。结果表明，裂纹尖端应力结构有较大的变化，呈现复杂的变化规律，对此试样的晶体取向有较大的影响；裂纹尖端自由表面形成具有特定矢量方向的滑移带，裂纹启裂和扩张途径与该滑移带有关，晶体学结构分析表明其特征敏感于晶体取向。裂纹尖端的等效应力、最大分切应力沿厚度方向分布均为在试样心部较为均匀，而在外表面处则下降较快，有限元计算和实验测定结果证实这两部分分别与试样断口上的纤维区和剪切唇区相对应。     

老龄飞机广布疲劳问题研究综述（续）

3.2应力强度因子（SIF）的研究 WFD的应力强度因子是裂纹扩展分析和剩余强度求解的基础,是含裂纹结构的损伤容限分析的首要任务。应力强度因子反映了裂纹尖端附近应力场强度强弱的程度。由于多裂纹结构的形状、边界、受力的复杂性以及裂纹形态的多样性,加之裂纹扩展时的相互作用,增加了对多裂纹结构应力强度因子研究的难度和复杂性,使得解析法在数学上往往难以描述和求解,因此众多研究学者大都采用数值方法进行分析计算。     

2A12铝合金试件中空间斜裂纹在线止裂及性能分析

 选择带有空间斜裂纹的2A12铝合金试件进行了拉伸载荷作用下电磁热在线止裂研究。采用数值分析方法确定了止裂工艺参数,并求得了放电后试件内的温度场及热应力场;通过自制加载装置,应用ZL-2超强脉冲电流放电装置完成了空间裂纹在线止裂试验;对止裂前后的铝合金试件进行了微观组织分析和宏观力学性能测试。研究表明：脉冲放电瞬时,裂纹尖端熔化、钝化,并形成了高压应力区,提高了裂纹的扩展功,在一定的拉伸载荷下,试件也不会开裂,达到了裂纹在线止裂的目的。     

复合材料界面模态混合度研究

综述了消除复合材料界面裂纹应力奇异性及求解界面模态混合度的主要方法,分析讨论了各个方法的优缺点.通过分析讨论发现:模态混合度表征界面力学性能可以准确地描述界面裂纹尖端处各应变能释放率分量的振荡特性;求解与裂纹扩展长度无关的各应变能释放率分量及模态混合度是研究复合材料界面裂纹问题的难点;采用混合模态界面力学性能试验方法验证基于正则化长度等求解模态混合度方法的有效性,进而准确预测复合材料分层的发生及扩展是今后研究复合材料界面力学问题的发展方向.     

含环向裂纹厚壁圆筒电磁止裂的应力场分析

以具有轴对称性质、端部带有半埋藏环形裂纹的厚壁圆筒为研究对象,通过对长厚壁圆筒内外环面均匀通入超强脉冲电流进行电磁热止裂。采用复变函数方法求解了脉冲放电瞬间裂纹尖端的温度场和热应力场。在一定的超强脉冲电流作用下,由于环形裂纹尖端的电流绕流热集中效应,裂尖温升超过了金属熔点,使裂尖处金属熔化在内部形成堆焊,钝化了裂尖,并且在裂纹前缘形成了热压应力,阻止了裂纹的扩展。在此基础上还讨论了在电载荷和机械载荷共同作用下裂纹前缘的应力场。     

高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用

针对SiCp/Al材料塑性低、容易产生裂纹的缺陷,研究了高密度脉冲电流对SiCp/Al板材裂纹的修复作用。采用室温拉伸方法预制裂纹,在扫描电子显微镜(SEM)下标定裂纹后,对试样进行脉冲电流(电流密度为31.25A/mm~2)处理,对比分析脉冲电流处理前后裂纹形貌,测试电流处理对含裂纹试样力学性能的影响。结果显示,脉冲电流处理后,试样表面尺寸较小的裂纹直接被焊合,尺寸较大的裂纹宽度减小并且尖端出现了熔化现象;对比试样脉冲电流处理前后的延伸率发现,脉冲电流处理可以使试样预变形后的延伸率提高38%。采用电-热-力耦合的数值分析方法求得通电后SiCp/Al板材裂纹附近的电流场、温度场和应力场,并进行了脉冲电流处理对裂纹修复的机理分析,为脉冲电流修复技术的应用奠定理论基础。