复合材料MMB试件Ⅰ-Ⅱ混合型层间裂纹扩展分析

基于经典层合板理论及双线性黏聚区本构关系,建立了含一般分层裂纹层合板的理论模型,对I-II混合型弯曲(MMB)断裂试件进行了裂纹扩展理论分析.提出了一种I-II混合型断裂叠加模型,引入I型裂纹分量的刚体转动位移,同时考虑了裂纹长度超过试件半长后中部载荷分量对裂纹扩展的闭合效应,并根据黏聚区力学响应,分段获得了位移函数通...     

复合材料0°/45°层间界面Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ/Ⅱ混合型分层实验研究

高性能碳纤维增强复合材料已成为一种重要的航空材料,在复合材料结构服役过程中分层破坏是一种常见的失效模式。针对T800/环氧复合材料不同加载混合比下的分层行为,对具有0°/45°预制分层界面的复合材料层压板分别开展双悬臂梁(DCB)、三点弯(ENF)和混合模式弯曲(MMB)实验,获得复合材料张开型(Ⅰ型)、滑开型(Ⅱ型)和Ⅰ/Ⅱ混合型分层的断裂韧度,研究其分层扩展行为。结果表明:不同加载混合比(Ⅱ型分层载荷所占比例)下分层的断裂韧度和分层扩展行为显著不同,加载混合比越大,分层断裂韧度值越高,稳定的分层扩展行为越难保持。基于对实验数据的拟合,建立了一个任意加载混合比下0°/45°分层界面断裂韧度的预测公式。     

螺桨断裂可靠性及损伤容限分析与评定

针对Ｙ７－２００５螺桨的载荷及使用环境的特点,建立了含裂纹构件的长寿命可靠性计算的二维断裂干涉模型,给出了无限寿命下的含裂纹结构的断裂可靠性计算方法。并计算了在不同初始裂纹尺寸下螺旋奖的可靠度。同时,对螺桨进行了损伤容限分析,建立了适应于高频小载荷下利用载荷的二维概率分布函数的裂纹扩展寿命干涉积分公式。给出了在不同初始裂纹尺寸下的裂纹扩展寿命及检修周期。     

复合材料ENF试件裂纹扩展理论分析

对复合材料端部缺口弯曲（ENF）试件裂纹扩展过程进行了理论分析,研究了界面参数变化对载荷-位移曲线的影响。首先在梁微段分析的基础上,通过双线性Cohesive本构模型模拟了界面损伤。本文模型中考虑了轴力的影响,根据界面损伤程度对模型进行了分段,并分别获得了各段通解。以裂纹长度以及黏聚区范围为变量分析了ENF试件裂纹扩展过程,求解获得了载荷-位移曲线。通过与已有理论模型结果对比,验证了本文理论分析的正确性,且本文理论考虑了弹性段后非线性的存在。分析了界面参数与黏聚区长度的关系,为界面参数的选取提供了一定的依据。     

基于内聚力模型的改性双基推进剂断裂特性研究

为了研究改性双基推进剂的Ⅰ型断裂性能,进行了该推进剂材料的三点弯曲试验及单轴拉伸试验,初步获取了材料的断裂强度及断裂能参数。基于内聚力模型构建材料断裂本构方程,应用于三点弯曲断裂有限元仿真分析,得到仿真加载点载荷-位移曲线,并采用反演优化算法对内聚参数进行修正,获取最终准确模型参数。为验证模型准确性,进行了不同初始裂纹长度下的三点弯曲试验及仿真。结果表明模型能够较好地描述实际裂纹扩展过程中的载荷-位移特性及裂纹扩展特性,仿真结果与试验结果误差小于7.6%,证明该模型的有效性。     

纤维增强复合材料层合板分层扩展行为研究进展

纤维增强复合材料层合板在航空航天等领域被广泛应用,分层损伤是层合板主要的损伤形式,一直是复合材料力学研究的焦点问题之一。本文从试验研究、理论分析和数值模拟3个方面对国内外在纤维增强复合材料分层问题所取得的研究成果进行了系统综述,重点介绍了单向复合材料I型、Ⅱ型和I/Ⅱ复合型层间断裂韧性测试方法和原理以及多向层合板分层扩展行为的试验研究。得到了表征和评价分层失效机理和扩展行为的纤维桥接模型、静力分层扩展准则和疲劳分层模型,并详细阐述了采用内聚力模型（CZM）、虚拟裂纹闭合技术（VCCT）和扩展有限元方法（XFEM）等先进数值方法模拟分层扩展的研究现状。最后,对复合材料层合板分层扩展研究的发展方向进行了展望。     

复合材料 ENF 试件裂纹扩展理论分析简

 对复合材料端部缺口弯曲（ENF）试件裂纹扩展过程进行了理论分析,研究了界面参数变化对载荷-位移曲线的影响。首先在梁微段分析的基础上,通过双线性Cohesive本构模型模拟了界面损伤。本文模型中考虑了轴力的影响,根据界面损伤程度对模型进行了分段,并分别获得了各段通解。以裂纹长度以及黏聚区范围为变量分析了ENF试件裂纹扩展过程,求解获得了载荷-位移曲线。通过与已有理论模型结果对比,验证了本文理论分析的正确性,且本文理论考虑了弹性段后非线性的存在。分析了界面参数与黏聚区长度的关系,为界面参数的选取提供了一定的依据。     

含孔钛合金扩散连接止焊层合板裂纹扩展特性试验

带有局部圆形止焊区的钛合金扩散连接层合板能够改善层合板在拉-拉疲劳载荷作用下的裂纹扩展性能,为了研究止焊区尺寸对裂纹扩展寿命的影响,采用3mm,2mm,3mm厚钛合金板材通过扩散连接成8mm厚层合板,层合前预留Φ12mm,Φ15mm止焊区,并加工成含中心Φ6mm孔的板状试件,进行了两类试件在含标识载荷的等幅载荷下的疲劳...     

固体火箭发动机装药粘接界面Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型反演研究

针对以人工试算的方式获取粘接界面所采用的张开型-剪切型(Ⅰ-Ⅱ)混合型内聚力模型存在精度低且工作量大等问题，采用分步反演与Hooke-Jeeves优化算法相结合的识别方法，基于矩形粘接试件多角度拉伸载荷-位移实测数据，对装药粘接界面所采用的Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型开展反演研究。反演结果表明：拉伸速率为5mm/min时，界面刚度、最大名义应变、临界断裂能的法向值分别为0.17MPa,3.85,6.14kJ/m²，切向值分别为0.09MPa,1.66,2.66kJ/m²;0°，22.5°，45°拉伸的仿真与实测载荷-位移曲线的相对误差分别为7.2%,5.1%,5.2%；基于反演获取的Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型的界面损伤系数分布图定量分析粘接界面的破坏情况，与实验结果吻合良好。以上均表明所采用的反演方法可有效修正粘接界面Ⅰ-Ⅱ混合型内聚力模型的相关参数。     

缺口根部小裂纹疲劳扩展特性及闭合效应实验研究

 对LY12CZ铝合金缺口根部疲劳小裂纹闭合特性及扩展行为进行了实验研究。采用光学金相显微镜测量了小裂纹的起裂及扩展。通过测量裂尖后两岸显微硬度压痕随裂纹张开闭合的距离变化,建立了缺口根部角裂纹裂尖附近的裂纹张开位移和载荷的关系,以此确定裂纹的张开应力。根据测得的σ_(op)/σ_(max)及按Newman模型计算的σ_(op)/σ_(max),进行闭合效应修正后算得的小裂纹疲劳扩展速率与实验结果基本符合。在小裂纹的情况下,所得结果与Newman方法所得结果相比,更为接近实际情况。     

钛合金扩散焊接头复合型疲劳裂纹扩展

设计并加工了TC4扩散焊接头紧凑拉伸剪切(CTS)试样。开展了不同加载角度下的Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展试验。试验结果发现:在加载角度小于45°时,裂纹均沿焊缝扩展至断裂,当加载角度达到45°以上时,裂纹开始出现沿与初始裂纹面呈一定角度的方向扩展至母材的情况。使用电子显微镜结合电位法获得了裂纹扩展a-N曲线。在此基础上,采用相互作用积分法计算复合型应力强度因子,以应变能释放率为参量对Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展过程进行了分析。考虑Ⅱ型裂纹所占权重引入复合比,并在此基础上建立了TC4扩散焊接头不同加载角度及载荷下Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展速率统一模型。      

复合材料单搭胶接接头静力与疲劳裂纹扩展研究

胶层裂纹是复合材料胶接接头的常见损伤形式之一,严重影响复合材料结构的完整性。以胶接结构中常见的复合材料单搭胶接接头为研究对象,建立其三维数值模型,采用双线性内聚力本构关系表征静态裂纹扩展,并将静态模型扩展至疲劳裂纹扩展模型;结合静力与疲劳试验,对单搭胶接接头的应力应变分布规律、裂纹扩展与破坏机理展开研究。结果表明：单搭胶接接头在静力和疲劳载荷下,由于偏心拉伸应变呈非线性变化,搭接区域两端由于应力集中首先出现裂纹,由两端向中央区域扩展并迅速贯穿整个搭接区域,静力失效模式为内聚破坏,疲劳断面为界面脱胶。     

Evaluation of mixed mode-I/II criteria for fatigue crack propagation using experiments and modeling

In this study, in-plane mixed mode-I/II fatigue crack growth simulations and experiments are performed for the Al 7075-T651 aluminum alloy which is widely used in the aerospace industry. Tests are carried out under different mode mixity ratios to evaluate the applicability of a fracture criterion developed in a previous study to mixed mode-I/II fatigue crack growth tests. Results obtained from the analyses and experiments are compared with existing and developed criteria in terms of crack growth lives. Compact Tension Shear (CTS) specimens, which enable mixed mode loading with loading devices under different loading angles, are used in the simulations and experiments. In an effort to model and simulate the actual conditions in the experiments, crack surfaces of fractured specimens are scanned, crack paths are modeled exactly, and contacts are defined between the contact surfaces of a specimen and the loading device for each crack propagation step in the analyses. Having computed the mixed mode stress intensity factors from the numerical analyses, propagation life cycles are predicted by existing and the developed mixed mode-I/II criteria and then compared with experimental results.     

铝合金板广布损伤裂纹扩展顺序的数值分析

在三排45孔铝合金板广布疲劳损伤试验基础上,对模型进行了有限元计算,系统研究了广布损伤裂纹尖端相互影响因子分布和裂纹扩展顺序规律。结果表明:裂纹尖端相互影响因子βi,当受两个裂纹参数ai和aj影响时,其随着aj的增加而增加,随着ai的增加而减小;当受三个参数ai、aj和ak影响时,其随着aj和ak的增加而增加,随着ai的增加而减小。循环数N相等时,模式I扩展最快,模式II最慢,模式III的扩展间于模式I模式II之间,但比较接近模式II,这是由于模式III下孔裂纹比较接近于模型中间位置,受模型边界的影响较小。以上结论表明,在实际工程应用中,多裂纹出现在模型中间要比靠近边界安全。     

Research on the Plane Multiple Cracks Stress Intensity Factors Based on Stochastic Finite Element Method

Taylor stochastic finite element method (SFEM) is applied to analyze the uncertainty of plane multiple cracks stress intensity factors (SIFs) considering the uncertainties of material properties, crack length, and load. The stochastic finite element model of plane multiple cracks are presented. In this model, crack tips are meshed with six-node triangular quarter-point elements; and other area is meshed with six-node triangular elements. The partial derivatives of displacement and stiffness matrix with respect to all the random variables obtained by Taylor SFEM are derived. Meanwhile, the mean and variance expressions of SIF under uncertain factors are also derived. Parallel double-crack illustrative example of using the proposed method is given. The calculation results indicate that the uncertainty of SIF is influenced by the distance of the cracks, the smaller the distance of cracks is, the greater the SIF uncertainty is, and the uncertainties of material elastic modulus, load and crack length markedly affect the uncertainty of SIF; and the Poisson ratio of material has little influence. Among the variables, the elastic modulus has the greatest effect on SIF uncertainty. The next is external load. The crack length has lower effect on SIF uncertainty than both the elastic modulus and external load.     

GH4169合金自然萌生小裂纹扩展行为的试验研究

为了研究镍基GH4169高温合金自然萌生小裂纹的扩展行为,采用单边缺口拉伸(SENT)试样进行了室温下应力比R=0.1,0.5的小裂纹扩展试验。在长裂纹近门槛值区域,观察到明显的小裂纹效应,疲劳小裂纹扩展寿命占全寿命的大部分。利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)对试样断口表面进行微观分析,结果表明,疲劳小裂纹起始于合金中的夹杂(Ti(C,N)或Nb(C,N)),并且倾向于以半圆形向试样内部扩展。试样的断裂模式存在由晶体学小平面断裂向疲劳条带断裂的转变,该断裂模式转变处对应小裂纹扩展速率曲线上裂纹加速扩展前的急速降低点。     

热载荷下热障涂层表面裂纹-界面裂纹的相互作用

针对热障涂层在热循环载荷下陶瓷层表面和氧化层/黏结层界面形成裂纹而导致涂层失效的问题,采用扩展有限元和内聚力单元建立陶瓷层表面裂纹与氧化层/黏结层界面裂纹相互作用的有限元模型,得到不同裂纹附近应力分布和开裂程度,分析了这2种裂纹之间的相互影响,结果表明:表面裂纹对界面裂纹影响较大,而界面裂纹对表面裂纹影响较小;氧化层几何参数以及材料参数对2种裂纹演变的影响研究结果表明:氧化层正弦幅值和厚度主要影响界面裂纹,在热载荷下,氧化层越粗糙,界面裂纹扩展速度越快。黏结层弹性模量主要影响界面裂纹扩展程度,而陶瓷层弹性模量主要影响表面裂纹扩展程度,对界面裂纹间接地产生较大影响。     

金属疲劳裂纹初期扩展的特征及其影响因素

本文回顾了各种金属及合金在门坎区附近的疲劳裂纹扩展的机制和特征。 根据一系列试样和结构的微观断口金相分析的结果表明,在近门坎区产生的占主导的断口形态是小平面或河流花样。对于不同金属与合金小平面的方位与晶体点阵结构的相互关系,用滑移型和层错能进行描述。 本文对于板状及缺口试样的疲劳极限和门坎值的相互关系以及短裂纹的疲劳裂纹扩展机制也一起进行了评述,短裂纹的裂纹扩展行为可以一般地表达为: ΔK_th=f（α）Δσ_th（πα）¹/2式中,f（α）为裂纹长度与试样几何形状的函数。 文中回顾了应力比、显微组织、环境对在门坎区附近疲劳裂纹扩展行为的影响,曾提出产生裂纹闭合效应的“氧化物诱发”及“粗糙度诱发”的概念,可以用来解释结构材料中上述因素对在近门坎区疲劳裂纹扩展行为的影响。