梁在拉伸力和弯曲力矩联合作用下的动态塑性断裂

本文采用刚塑性分析方法,研究了韧性材料带裂纹有限长梁在轴向拉伸力和弯曲力矩联合作用下的全塑性断裂过程,其外加轴向拉伸力和弯曲力矩为准静态加载,并在梁的断裂过程中保持不变,为定常载荷。在外力作用下,梁的断裂截面首先进入塑性变形,当裂纹尖端张开位移 CTOD 达到其材料临界值时,裂纹将启裂扩展。本文考虑了应变率对断裂过程的影响,给出了梁在断裂过程中其裂纹扩展长度,裂纹扩展速度以及断裂截面上的轴向抗力和弯曲抗力随时间的变化规律,并比较了在不同轴向拉伸力作用下梁的动态塑性断裂过程的变化,说明了轴向作用力对梁的断裂过程的影响。     

在爆炸载荷作用下固支梁或筒形弯曲板的塑性动态断裂

本文运用刚塑性分析方法研究了在爆炸载荷作用下固支梁的全塑性动态断裂过程。在爆炸载荷作用下,固支梁将首先在固支端进入塑性变形,当固支端塑性铰转角达到其临界值,或固支端处初始裂纹尖端张开位移达到其临界值时(如果固支端有初始裂纹的话),固支端将产生开裂和裂纹扩展。本文解给出了在动态断裂过程中固支梁裂纹扩展长度、裂纹扩展速度以及梁的轴向约束力随时间变化的规律,并给出了不同载荷幅值下梁的启裂条件和止裂条件以及最终裂纹扩展长度和最大挠度。该分析解也适用于固支筒形弯曲板的断裂问题。     

采用扩展有限元法的线式爆炸分离装置裂纹扩展分析

为了提高线式爆炸分离装置的安全性,本研究基于扩展有限元法,通过创建二维和三维动态裂纹扩展模型,探索了线式爆炸分离装置在爆轰波作用过程中的动态裂纹扩展和止裂机理。研究表明,分离壳体的裂纹扩展路径独立于裂纹初始角度;不考虑载荷时序时,二维和三维动态裂纹扩展的主方向分别沿着分离壳体的径向和环向;考虑载荷时序时,受不同区域应力波的联合作用,三维裂纹沿环向扩展的同时会沿着轴向扩展,但裂纹的扩展均不会影响到止裂槽以外的结构。所提方法和相应结论可为线式爆炸分离装置设计提供参考。     

潜艇耐压壳抗爆性与壳体材料的韧性要求

为了确定潜艇耐压壳合理的韧性水平,必须同时从结构和冶金的角度,分别搞清壳体母材韧性与焊缝韧性对耐压壳局部抗爆性的贡献。本文利用带肋壳板结构单元模型,对潜艇耐压壳在近距离、小药量局部爆炸下的断裂特征,进行了试验研究。通过对断裂的起裂部位与裂纹扩展路径以及其断口形貌的分析,证实了对壳体材料韧性的要求,主要不在于其抗起裂性能,而应使其具有出色的止裂韧性。     

复合材料修补金属裂损结构吸湿老化的试验与有限元分析

暴露在湿热环境中的复合材料修补金属裂损结构易吸湿老化,导致该结构性能下降,服役寿命缩短。为研究吸湿性对复合材料修补金属裂损结构修补效果和耐久性的影响,利用试验方法分析了吸湿性对复合材料胶补金属裂损结构及胶黏剂力学性能的影响;利用有限元方法评估了吸湿性对复合材料胶补金属裂损结构试验件修补效果和耐久性的影响。研究结果表明:吸湿后含穿透双边裂纹铝合金板玻璃纤维单面胶补试验件的疲劳裂纹扩展寿命和极限载荷的平均值分别下降为吸湿前的71%和90%;吸湿造成拉伸条件下复合材料胶补金属裂损结构胶层失效模式由内聚破坏为主转变为界面破坏为主;在"湿-热"老化30天后,E44/聚酰胺环氧树脂胶黏剂试验件吸水饱和,弹性模量下降为未老化前的40%,塑性应变超过了总应变的25%;有限元分析发现胶层损伤受吸湿影响明显,吸湿性加速了胶层损伤,且裂纹长度越长,加速作用越明显;同时吸湿使得裂纹尖端的J积分值急剧增大,导致修补结构的疲劳裂纹扩展寿命缩短,裂纹长度越长,吸湿性对于复合材料胶接修补效果的危害越严重。     

线粘弹性材料中三维裂纹问题的加料有限元法

将加料有限元法扩展应用于线粘弹性材料三维断裂问题.为了反映裂纹尖端的奇异性,在裂尖附近的奇异区采用若干八节点六面体加料单元和过渡单元,非奇异区采用常规八节点六面体单元.三种单元分区混合使用形成求解域网格划分.基于Boltzmann叠加原理,推导了粘弹性材料的增量型本构关系,进而获得了增量加料有限元列式,并通过附加自由度计算粘弹性介质中裂纹应变能量释放率.数值算例验证了方法的正确性和有效性.     

轴向移动内压力梁动力学的动网格法

面向轴向移动内压力梁结构动力学特性研究,采用Lagrangian方法建立了轴向移动内压力梁的运动控制方程,基于有限元动网格法对轴向移动梁运动控制方程进行离散。将内压力作为边界条件,采用Newmark-β时间积分方法计算轴向移动梁动力学响应,并开展动力学特性研究。结果表明,建立的有限元动网格模型能够有效地实现轴向移动内压力梁动力学响应计算。轴向移动内压力梁在收缩运动过程中,自由端振动频率将逐渐增加。悬臂长度对梁自由端振动频率具有显著影响。同时,结构振动频率随内压力的增加而增加。本文中建立的有限元动网格模型能够为轴向移动内压力梁动力学研究提供新方法。     

球面冲击波作用下船体梁运动响应特性

将船舶结构简化为刚塑性等截面船体梁,以炸药在船体梁中部正下方爆炸工况为研究对象,提出了一种计算船体梁在近场爆炸冲击波作用下发生整体运动响应的理论方法。根据冲击强度的不同,将整体运动划分为刚体运动和塑性运动,分别建立了相应的运动理论模型,并进一步分析了两种运动形式的一般特性。结果表明:船体梁发生刚体运动时,结构的整体运动速度和位移随着时间的增加而非线性增大,但运动幅值较小;船体梁进入塑性运动后,其运动过程可看作是正向刚体上升过程中叠加了一个反向塑性变形过程,且梁中部以反向变形损伤为主。     

基于纤维方向的C/SiC复合材料端面磨削实验研究

采用小直径金刚石砂轮对气相渗硅反应烧结工艺(Gaseous Si Infiltration,GSI)方法制备的C/Si C复合材料进行了端面磨削实验研究,探究了不同纤维方向的磨削性能,讨论了磨削用量对磨削力和磨削表面粗糙度的影响规律,采用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对磨削表面形貌进行观测,分析了磨削损伤和磨削加工机理。结果表明:C/Si C复合材料不同纤维方向磨削性能不同,正常纤维方向磨削力最大,粗糙度最小;纵向纤维方向磨削力最小,粗糙度最大。材料以脆性断裂形式去除,磨削面损伤主要为纤维断裂、分层,Si C基体微裂纹,界面层失粘。通过理论分析推测碳纤维层主要作用是减弱微裂纹扩展程度和改变微裂纹扩展方向。     

长期贮存的固体发动机药柱脱粘界面裂纹分析

为了分析长期贮存的固体导弹发动机药柱脱粘层界面裂纹在燃气内压和轴向过载联合作用下的扩展情况,建立了发动机药柱在包覆层与推进剂之间脱粘的三维有限元计算模型,并于脱粘界面的裂纹尖端设置三维奇异裂纹元,模拟脱粘界面裂纹扩展。在包覆层与推进剂之间设置不同深度脱粘,计算了在燃气内压和轴向过载联合作用下不同贮存期、不同深度的界面裂纹尖端的应力强度因子,得到了界面裂纹应力强度因子随贮存时间、脱粘深度的变化规律,对长期贮存的固体发动机脱粘界面裂纹的扩展进行了分析。     

金属泡沫断裂韧性的试验研究

金属泡沫在其实际应用中,断裂性能和断裂韧性对于承载的多孔金属泡沫有着重要的意义。基于美国试验材料学会相关标准,采用三点弯曲试样测定了铝泡沫的I型断裂韧性。研究表明,金属泡沫的断裂为脆性断裂,在裂纹尖端附近,孔壁最薄弱的区域最容易发生变形;随着进一步加载,一些孔壁发生断裂,微裂纹在断裂尖端附近出现。随着载荷的增加,主裂纹在缺口根部形成或由微裂纹合并而成,并开始在多孔结构内传播。裂纹沿着结构最薄弱处传播,并产生次生裂纹和裂纹桥。裂纹总的扩展方式还是I型断裂。根据试验P-V曲线特点,取最大载荷点对应的力与位移求解出铝泡沫的裂纹尖端临界张开位移的平均值为0.051 mm。     

分段轴压阶梯梁自由振动及稳定性分析的传递函数方法

采用分布传递函数方法,分析任意多段分段常轴压阶梯梁的自由振动和稳定问题,得到形式统一的封闭解析解。根据梁横截面几何尺寸、梁材料和轴压沿梁轴线的变化,将梁分成多段子梁,对每一子梁采用传递函数方法得到其解析解,通过各子梁间的位移连续和力平衡条件,得到分段常轴压阶梯梁的各阶自由振动频率和失稳载荷及其相应的模态形状。通过三阶梯梁的算例验证本文方法的正确性,并以四阶梯梁为例,计算分段轴压多阶梯梁自由振动的固有频率。     

三点弯曲梁的动态断裂分析

利用梁的初等弯曲理论和线弹簧模型建立了三点弯曲裂纹梁的动态断裂分析方法,该方法使计算大为简化。数值结果表明该方法具有足够的精度     

悬空管道固有频率的计算

在地质灾害作用下，输油管道下方的土层下陷或流失会造成管道悬空。当悬空管道发生弯曲变形时，两端埋地管道要对悬空管道产生影响。利用埋设段和悬空管道的受力平衡条件联立求解出两段管道的弯曲变形，并且讨论了不同土壤刚度和管道轴向力条件下悬空管道振动的固有频率，并和工程上推荐使用的简支梁和两端固支梁的静动态特性进行比较。管道大幅振动或共振是管道破坏的重要原因，准确计算悬空管道的固有频率，对悬空管道的静力分析、振动分析以及输油管道的完整性评价都有非常重要的意义。     

非均匀复合材料中裂纹扩展过程的数值模拟

应用有限单元法和最大正应力准则,引入楔形界面过渡层模型,求解相应的特征函数,准确地确定界面裂纹第一步开裂角,模拟了裂纹在非均匀复合材料中的扩展过程。结果表明:裂纹扩展初期呈波浪式前进,并最终沿着与最大正应力垂直的方向前进。这对此类结构的防断控制具有指导意义。     

铝合金焊缝表面裂纹高温断裂韧性测试

介绍一种表面裂纹高温断裂韧性Ｋ１ｅ的测试方法，该技术对试样自动加温控温，自动绘制力ｐ与裂纹咀张开位移Ｖ（ｐ—Ｖ）曲线。测试精度高。     

ZrO2纳微米纤维自增韧Al2O3陶瓷力学测试与断裂分析

通过对原位生长ZrO2纳微米纤维自增韧Al2O3基陶瓷的三点弯曲、单边切口梁与Vickers压痕测试,发现陶瓷硬度、弯曲强度与断裂韧性在ZrO2质量分数为35%时出现极大值.经SEM观察与XRD分析,发现裂纹扩展主要受含ZrO2纳微米纤维的α-Al2O3基棒晶控制,诱发裂纹偏转增韧机制,并伴随着相变增韧机制.     

Adaptive phasefield modelling of crack propagation in orthotropic functionally graded materials

In this work, we extend the recently proposed adaptive phase field method to model fracture in orthotropic functionally graded materials (FGMs). A recovery type error indicator combined with quadtree decomposition is employed for adaptive mesh refinement. The proposed approach is capable of capturing the fracture process with a localized mesh refinement that provides notable gains in computational efficiency. The implementation is validated against experimental data and other nu-merical experiments on orthotropic materials with different material orientations. The results reveal an increase in the stiffness and the maximum force with increasing material orientation angle. The study is then extended to the analysis of orthotropic FGMs. It is observed that, if the gradation in fracture properties is neglected, the material gradient plays a secondary role, with the fracture behaviour being dominated by the orthotropy of the material. However, when the toughness increases along the crack propagation path, a substantial gain in fracture resistance is observed.     

内压作用下复合材料修复裂纹管道的失效分析

为准确评估在内压作用下纤维复合材料修复含裂纹管道的有效性及失效压力,建立复合材料修复后裂纹管道的失效数值模型。该数值模型通过扩展有限元法模拟管道裂纹的扩展,利用cohesive单元模拟胶层的脱粘失效,复合材料的失效通过最大应力失效准则进行判定。通过静水压爆裂试验对所提失效数值模型进行验证,实验结果与数值计算结果具有较好的一致性。失效数值分析结果表明:当内压增大至一定值后,未修复管道的初始裂纹沿轴向及壁厚方向逐渐扩展,进而使得管道内壁单元扩展成真实裂纹,此时真实裂纹贯穿整个壁厚方向,即认为裂纹管道发生爆裂失效,爆裂失效压力随初始裂纹半长呈指数形式下降。复合材料修复裂纹管道的不同修复工况呈现相同的失效模式:在单调递增的内压作用下,管道内表面首先出现黏结裂纹,而后其外表面裂纹张开趋势急剧上升,使得复合材料层应力急剧上升,达到极限强度而失效。且对于不同的初始裂纹尺寸,存在对应的复合材料缠绕层数临界值。