论文题目: 玻璃材料在双向应力下失效分析的数值模拟与失效准则的验证
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料科学与工程
作者: 李维红
导师: 王立久
关键词: 玻璃,脆性材料,双向应力,断裂力学,数值模拟,等效关系,阻力特性,复合应力效应,亚临界裂纹扩展,应变断裂准则
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 玻璃是典型的脆性材料,并越来越广泛地应用在航空、机械、建筑等国民经济生产中。对玻璃材料断裂过程的研究是材料学和力学界研究的重点和难点,脆性材料的断裂总是起源于材料的原有缺陷或裂纹,因而研究裂纹的发展和失稳条件的断裂力学在强度和性能评价中具有重要意义。由于实际玻璃构件大多是在双向或多向应力状态下工作的,而双向应力是否影响固体的断裂行为一直是一个有争议的问题,且至今尚未有统一的结论。另外,断裂力学理论认为在线弹性范围内,应变能释放率G、应力强度因子K、J积分和裂纹张开位移δ四个断裂参数都是等价的,任何一个达到临界值时,其他三个也必然达到临界值。以上四个断裂参数都跟平行于裂纹的应力无关。如证明固体的断裂行为确实受到平行于裂纹的应力影响,那麽应变能释放率G、应力强度因子K、J积分和裂纹张开位移δ四个断裂参数在单轴应力下的等效关系在双轴应力下是否还成立?如不成立,那麽,玻璃材料在双轴应力状态下的裂纹扩展由什麽参数决定?与此同时,如何建立脆性材料在双轴应力作用下的破坏准则一直是人们所追求的目标之一。要搞清这些问题,到目前为止还未有一结论性结果。而且,玻璃等脆性材料的拉伸试验尤其是双向拉伸试验和穿透裂纹预制等问题在实施上有相当难度。本研究利用断裂力学的研究方法,借助于统计学和现有的数值计算方法,以实验结果为基础来建立数值模型,进行了玻璃材料双向应力状态下断裂失效过程的数值模拟。到目前为止,国内外在这方面的研究还很有限。本文的研究目的即是要搞清玻璃材料在双向应力下的断裂和裂纹扩展究竟受不受平行于裂纹的应力影响?如受到平行于裂纹的应力影响,应变能释放率G、应力强度因子K、J积分和裂纹张开位移δ四个断裂参数在单轴应力下的等效关系在双轴应力下是否还成立?如不成立,那麽,玻璃类脆性材料在双轴应力状态下的裂纹扩展由什麽参数决定?双向和单向应力下断裂参数有何区别?玻璃材料在双轴应力状态下应遵循何种断裂准则?等。目的在于检验和探索玻璃材料在双轴应力下的破坏过程,为结构的失效分析提供依据。玻璃材料在双向应力下失效分析的数值模拟与失效准则的验证 本研究以根据国家标准进行的玻璃三点弯曲试验结果为基础,进行了整个数值模型的校验分析,同时对模型的参数进行讨论和分析,为其应用于玻璃类脆性材料的数值模拟做准备。 对玻璃材料在双向应力和单向应力下裂纹驱动力参数的关系和差异进行了数值模拟及理论研究,得出在双向载荷下,传统的K一G一J一6等效关系不再成立的结论。证明了其中的两个参数G和6与双向应力有关,而另外两个参数K和J与双向应力无关。裂纹张开位移6更适宜作为处于双向应力状态下材料断裂的评价标准。 完成了玻璃材料在单向及双向平面应力状态下的阻力特性研究,并与相关的实验结果取得了较好的一致,表明了数值计算的可靠性。直接观察和演示了玻璃材料的失效全过程及裂纹的起裂、失稳扩展全过程,解决了玻璃材料在双向应力下的断裂和裂纹扩展究竟受不受平行于裂纹的应力影响,及如何影响等问题。 进一步研究了了在双向应力比入不同时,玻璃材料断裂力学参数应力强度因子K二及裂纹张开位移6的变化规律,进一步证明了双向应力对玻璃断裂及裂纹扩展的影响,也进一步验证了玻璃类脆性材料在双轴应力下的断裂是由裂纹张开位移6决定的。 对单向拉伸下含不同倾斜角度裂纹玻璃材料失效情况进行了数值模拟,重点研究了含不同裂纹角倾斜直通裂纹的玻璃材料试样在单向拉伸下的复合应力效应。证明在这种情况下裂纹尖端存在的三种类型应力:K,、K;I及平行应力对裂纹扩展有不同的作用。 研究了玻璃材料的慢裂纹扩展和扩展速度所受双向应力的影响,并讨论这种影响的机理和作用。通过声发射特性的数值模拟得到玻璃类脆性材料在单向及双向应力状态下的亚临界裂纹扩展长度一荷载步曲线。得出平行于裂纹面的拉应力对裂纹扩展有一定程度的阻碍作用,而平行于裂纹的压应力对裂纹有驱动效果的结论。该数值实验结果与相关的实验结果取得了较好的一致,表明数值实验的可靠性,从而为脆性材料的可靠性和寿命评价提供理论基础和手段。大连理工大学博士学位论文、、- 、 、、 在上述研究的基础上,运用研究结果验证了玻璃材料在双轴应力下应用应变断裂准则的可行性。关键词:玻璃;脆性材料;双向应力;断裂力学;数值模拟;K-于J一6等效关系;阻力 特性;复合应力效应;亚临界裂纹扩展;应变断裂准则
论文目录:
摘要
Abstraet
1 绪论
1．1 研究背景
1．2 双向应力下材料断裂失效分析的国内外研究现状
1．3 脆性材料破坏准则研究现状
1．4 断裂力学对玻璃的应用
1．5 本文的研究意义、目的和研究内容
本章参考文献
2 玻璃材料破坏过程的数值模型试验验证
2．1 玻璃材料的破坏
2．2 MFPA数值方法原理
2．3 材料性质的赋值
2．4 数值模拟的分析过程
2．5 数值模型的建立及其验证
2．5．1 玻璃材料的三点弯曲试验
2．5．2 数值模型的建立
2．5．3 数值模型的可靠性验证
本章参考文献
3 双向应力和单向应力下裂纹驱动力参数的关系和差异
3．1 前言
3．2 传统断裂力学参量和判断
3．2．1 1型应力强度因子K
3．2．2 裂纹尖端张开位移CTOD
3．2．3 J积分
3．2．4 能量释放率
3．3 裂纹驱动力参数在双向和单向应力下的关系和差异的理论分析
3．4 讨论
3．5 泊松比对裂纹张开位移的影响和数值模拟
3．5．1 数值模型的建立
3．5．2 裂纹张开位移-荷载步曲线
3．6 小结
本章参考文献
4 玻璃材料在双向应力下的阻力特性数值模拟
4．1 引言
4．2 数值模拟模型
4．3 数值模拟结果与讨论
4．3．1 断裂及裂纹扩展过程的数值模拟
4．3．2 应力-应变关系曲线
4．3．3 临界应力强度因子的确定
4．3．4 裂纹中心张开位移-荷载步曲线、裂纹尖端应变一荷载步曲线
4．3．5 裂纹面应力分布曲线
4．4 不同双向应力比对玻璃材料断裂和失效影响的数值试验研究
4．4．1 计算数学模型
4．4．2 数值试验结果与讨论
4．5 讨论
4．6 结论
本章参考文献
5 玻璃材料中倾斜裂纹扩展的数值模拟与复合应力效应研究
5．1 引言
5．2 数值试验模型
5．2．1 计算数学模型说明
5．2．2 力学参数说明
5．3 数值试验结果与讨论
5．3．1 断裂及裂纹扩展过程的数值模拟
5．3．2 含倾斜裂纹玻璃类脆性材料试样破坏过程中的应力场
5．3．3 含不同倾斜角裂纹玻璃类脆性材料的Ⅰ型、Ⅱ型应力强度因子
5．4 结论
本章参考文献
6 双向应力对亚临界裂纹扩展的影响——数值模拟研究
6．1 引言
6．2 数值试验模型
6．2．1 计算数学模型说明
6．2．2 力学参数说明
6．3 数值试验结果与讨论
6．3．1 玻璃材料声发射和亚临界裂纹扩展过程的数值模拟
6．3．2 模拟玻璃试样声发射特性与应力一应变关系曲线
6．3．3 双向应力对裂纹扩展的影响
6．4 讨论
6．5 结论
本章参考文献
7 玻璃材料在双向应力下应变断裂准则的验证
7．1 前言
7．2 脆性材料的应变断裂准则
7．3 数值摸拟结果与断裂准则的比较
7．4 小结
本章参考文献
结论
攻读博士学位期间发表学术论文情况
创新点摘要
致谢
附录A MFPA~（20）系统使用说明
建立工程文档
网格划分
赋边界条件
赋控制条件
大连理工大学学位论文版权使用授权书
发布时间: 2005-07-04
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标签：玻璃论文; 脆性材料论文; 双向应力论文; 断裂力学论文; 数值模拟论文; 等效关系论文; 阻力特性论文; 复合应力效应论文; 亚临界裂纹扩展论文; 应变断裂准则论文;