论文题目: 脆性/韧性断裂机理与判据及裂尖变形理论研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 水工结构工程
作者: 杨新辉
导师: 栾茂田
关键词: 脆性断裂,韧性断裂,断裂机理,断裂判据,裂尖应力场,复合型载荷,应力强度因子,裂尖断裂模型,裂尖变形理论,裂尖极半径变形乘子
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 大量实验研究表明,对于岩土工程实践中的大部分宏观裂纹问题,线弹性断裂力学仍然具有广泛的适用性。线弹性断裂力学将奇异性引入裂尖断裂过程,对复杂的应力与应变场进行了线性求解。在小范围屈服条件下,脆性断裂和韧性断裂过程中裂尖附近弹性区内的应力与应变场仍可以采用线弹性断裂理论描述。而弹塑性断裂力学的研究目前仍主要局限于理论探讨。对于脆性和韧性断裂过程的开裂机理,目前仍缺乏合理的描述,尚不能合理地解释韧性断裂试验试验结果。本文针对脆性断裂和韧性断裂特性和机理,在下列方面进行了比较深入而系统的理论分析和数值计算。 1.通过分析断裂的宏观和细微观行为,探讨了宏观与微观断裂之间的相互关系。裂尖处断裂过程区内的微损伤形貌对于裂尖开裂演化特征尤其是韧性断裂具有显著的影响。根据对脆性、韧性断裂过程的裂尖开裂形式与裂纹的载荷模式之间关系的探讨,首先明确了载荷模式与裂纹开裂类形式间的区别及其相互关系;重新阐明了载荷类型和断裂形式及不同载荷模式下的应力强度因子和不同断裂形式的断裂韧度等概念,澄清了传统断裂力学中对裂纹的起裂点(启裂点)和起裂方向之间关系的不同认识。 2.基于上述认识,从另一个新的角度提出并阐述了脆性断裂和韧性断裂的裂纹开裂扩展机理。根据脆性断裂与韧性断裂过程中裂纹不同的开裂形式和机理,对裂纹尖端处进行了不同形式的简化,分别建立了适用于脆性断裂和韧性断裂过程分析的裂尖简化断裂模型。 3.对于脆性断裂过程,根据所建立的脆性断裂裂尖简化模型,利用通用有限元分析软件ABAQUS和通用分析工具软件MATLAB详细地分析了Ⅰ型、Ⅱ型及Ⅰ-Ⅱ复合型载荷作用下的裂尖处应力分布。根据所提出的断裂机理,建立了裂尖径向平面最大应力准则MSRP(MSRP: the Maximum Stress on Radial Plane),给出了Ⅰ-Ⅱ复合型载荷模式下发生脆性断裂的复合判据。首次通过分析建立了Ⅰ-Ⅱ复合型载荷模式下两类应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ之间的理论关系及复合型断裂的应力强度因子K_Ⅰ-K_Ⅱ相互作用包络曲线,对不同应力复合比情况下裂纹开裂角进行了理论预测,通过与脆性断裂试验结果的对比,论证了所提出的脆性断裂理论的合理性。进而利用MATLAB对K_Ⅰ-K_Ⅱ的包络线进行了数值拟合,得到了Ⅰ-Ⅱ复合型断裂的经验判据。 4.由于对韧性断裂机理尚缺乏深入的认识,目前主要停留在探索性的定性分析。韧性断裂的演化过程非常复杂,且具有一定的随机性,通过韧性断裂实验所
论文目录:
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 断裂力学的产生及其研究发展现状
1.3 断裂力学的研究内容与方法
1.4 本文的研究目的
1.5 本文的主要研究工作
第二章 宏观与微观断裂力学基本特性分析
2.1 断裂力学研究的宏微观尺度
2.2 线弹性断裂力学的裂纹尖端场
2.2.1 张开型Ⅰ型裂纹的裂纹尖端应力与位移场
2.2.2 滑开型Ⅱ型裂纹的裂纹尖端应力与位移场
2.2.3 撕开型Ⅲ型裂纹的裂纹尖端应力与位移场
2.2.4 Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的裂纹尖端应力与位移场
2.2.5 应力强度因子的计算方法
2.3 弹塑性断裂力学的裂纹尖端应力与位移场
2.3.1 J-积分理论
2.3.2 裂纹尖端弹塑性场的渐近解
2.4 细微观断裂力学的基本理论
2.4.1 微观断裂力学的位错发射理论
2.4.2 裂纹尖端场结构及细观断裂过程区的裂尖损伤形貌
2.5 细观断裂力学行为与宏观断裂机理之间的关系
2.6 小结
第三章 脆性断裂机理及裂尖应力场分析
3.1 引言
3.2 材料的脆性断裂机理及判据
3.2.1 单一裂纹的脆性断裂判据
3.2.2 混合开裂模式的裂纹的脆性断裂判据
3.2.2.1 脆性断裂的最大周向应力断裂判据
3.2.2.2 最小应变能密度断裂判据
3.2.2.3 最大能量释放率断裂判据
3.2.2.4 其它的断裂理论和判据
3.3 脆性断裂的裂尖简化模型
3.4 Ⅰ型及Ⅱ型载荷作用下裂尖附近的最大应力分布
3.4.1 Ⅰ型载荷作用下裂尖附近的应力场分布
3.4.2 Ⅱ型荷载作用下裂尖附近的主应力
3.5 Ⅰ-Ⅱ复合型载荷作用下裂尖附近的最大应力
3.6 裂尖圆周上应力的线弹性有限元分析
3.6.1 Ⅰ型和Ⅱ型荷载作用下裂尖处的线弹性有限元分析
3.6.2 不同倾角情况下裂尖处的Mises应力分布
3.7 目前断裂力学的不同认识
3.8 脆性开裂的断裂机理和MSRP断裂判据
3.8.1 线弹性断裂过程的断裂机理模型
3.8.2 径向平面最大应力准则MSRP
3.8.3 Ⅰ型、Ⅱ型载荷下径向平面最大应力及脆性断裂判据
3.8.4 Ⅰ-Ⅱ复合型荷载下脆性断裂判据
3.8.4.1 Ⅰ-Ⅱ复合型载荷下裂尖径向平面上的最大拉应力
3.8.4.2 不同裂纹倾角下裂尖径向平面上的最大拉应力
3.8.5 复合型载荷下脆性断裂判据和等效应力强度因子
3.8.6 工程上常用的复合型断裂判据与MSRP判据的比较
3.8.7 Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹径向平面上的最大剪应力
3.8.8 Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹径向平面上的Mises应力
3.9 小结
第四章 韧性断裂机理及其断裂判据
4.1 韧性断裂中的研究意义
4.2 韧性材料的断裂判据复杂性及其断裂机理分析
4.3 考虑塑性区效应的弹塑性简化断裂模型及判据
4.3.1 Irwin和Dugdale裂尖模型及裂尖塑性区的形状
4.3.2 裂尖塑性区的形状
4.3.3 考虑材料弹塑性断裂的双参数断裂判据
4.4 韧性材料的断裂机理
4.5 考虑塑性区的韧性断裂简化裂尖断裂模型
4.6 常见的塑性断裂破坏形式
4.7 不同倾角裂纹在单轴拉伸荷载作用下裂尖应力场分析
4.7.1 含有不同倾角裂纹试样的裂尖应力场分布
4.7.2 不同裂纹倾角情况下裂尖附近的大主应力
4.7.3 不同裂纹倾角情况下的裂尖最大剪应力
4.7.4 不同裂纹倾角情况下裂尖附近的径向剪应力
4.8 考虑三轴应力效应的最大Mises应力断裂判据
4.8.1 裂尖上平面应变情况下的主应力及Mises应力分布场
4.8.2 考虑三轴应力影响的径向平面最大Mises应力(MMSRP)断裂判据
4.8.3 MMSRP判断准则与实验的对比验证
4.9 小结
第五章 韧性断裂的裂尖变形理论
5.1 引言
5.2 裂尖有限变形对应力与应变分布的影响
5.2.1 不可压缩弹性体中裂尖的有限变形
5.2.2 裂尖非线性和初始微损伤空腔对裂尖应力场的影响
5.3 裂尖变形理论及裂尖简化模型
5.4 裂尖变形模型DCM的裂尖区域弹塑性变形分析
5.4.1 Ⅰ型载荷下由裂尖弹塑性变形所引起的坐标系变化
5.4.2 Ⅱ型载荷下由裂尖弹塑性变形所引起的坐标系变化
5.4.2.1 裂尖在剪切变形前后的坐标系变换
5.4.2.2 裂尖极半径变形乘子
5.4.3 Ⅰ-Ⅱ复合型载荷下由裂尖变形所引起的坐标系变换
5.5 裂尖区域弹塑性变形理论中各个参数的分析
5.5.1 正应变参数和剪应变参数分析
5.5.2 裂尖极半径变形乘子收敛性
5.6 不同裂纹倾角下裂尖变形理论的数值分析
5.6.1 含有不同倾角的裂纹试样
5.6.2 不同裂纹倾角下拉伸载荷产生的有效应力
5.7 不同类型韧性断裂的裂尖变形理论分析与验证
5.7.1 Ⅰ型韧性断裂过程的裂尖变形理论数值分析
5.7.1.1 裂尖周围有效应力的确定
5.7.1.2 不同裂纹倾角下的裂尖极半径变形乘子
5.7.1.3 对Ⅰ型韧性断裂的数值分析
5.7.1.4 数值解与Ⅰ型断裂实验的对比分析与讨论
5.7.2 Ⅱ型韧性断裂过程的裂尖变形理论数值分析
5.7.2.1 对Ⅱ型韧性断裂实验的初步分析
5.7.2.2 对Ⅱ型韧性断裂实验的数值分析
5.7.2.3 数值解与Ⅱ型断裂实验的对比分析与讨论
5.7.3 两种韧性断裂数值分析的对比
5.8 裂尖变形对裂尖附近应力分布的影响
5.9 裂尖极半径变形乘子的简化分析
5.10 小结
第六章 有限覆盖无单元法在断裂特性数值分析中的应用
6.1 引言
6.2 有限覆盖无单元方法基本原理
6.2.1 有限覆盖技术
6.2.2 多重权滑动最小二乘法
6.2.3 总体方程、刚度阵及各种等效荷载阵
6.3 脆性断裂过程中的裂纹开裂扩展问题
6.3.1 裂尖处的节点布置与数学覆盖半径的确定
6.3.2 裂尖的节点加密方案
6.3.3 不同位移采样点布置方案对应力强度因子的影响
6.3.4 复合型脆性断裂MSRP在有限覆盖无单元法中的应用
6.4 Ⅰ-Ⅱ复合型载荷作用下含中心裂纹试样的脆性断裂特性分析
6.5 小结
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
攻读博士学位期间所完成与发表的主要学术论文及所参加的科研项目
论文创新点摘要
致谢
发布时间: 2005-09-07
标签：脆性断裂论文; 韧性断裂论文; 断裂机理论文; 断裂判据论文; 裂尖应力场论文; 复合型载荷论文; 应力强度因子论文; 裂尖断裂模型论文; 裂尖变形理论论文; 裂尖极半径变形乘子论文;