工程脆性材料的断裂强度实验分析

论文摘要

断裂力学是研究材料和结构的断裂失效与裂纹扩展规律的固体力学分支。对含缺陷结构的承载力研究是断裂力学的一个重要方面,利用断裂力学在理论上预估构件的承载力可用于评定构件的安全可靠性及优化设计构件。断裂力学中的应力强度因子、能量释放率与断裂能是材料结构的重要参量,本文通过断裂指标分析铸铁、混凝土及碳钢等材料的断裂强度,实验研究材料结构的断裂过程,进而探讨含缺陷结构承载力的理论估计方法并验证理论结果。主要研究工作如下:材料结构的断裂过程是材料强度与性能的重要表现。通过铸铁三点弯曲切口梁与混凝土紧凑拉伸断裂试件的应变片电测跟踪测试,由实验数据分析了裂缝前端损伤区(黏聚裂纹)的张开位移,韧带前方中性层位置与损伤区端点位置随载荷的变化规律。采用电子散斑干涉法对铸铁三点弯曲试件,观测了裂纹端部位移场随载荷的变化规律;并用有限元分析软件ANSYS对带环向切口的圆截面扭转试件计算出了割口根部的剪应力分布。在承载力的研究方面:(1)进行了铸铁和碳钢带切口杆件的扭转剪切(Ⅲ)型断裂实验;(2)对八组不同预制裂纹尺寸的铸铁三点弯曲梁进行断裂实验,并对相同材料的小尺寸铸铁三点弯曲切口梁进行加载实验;(3)测试了四种不同尺寸的混凝土紧凑拉伸试件的Ⅰ型断裂过程;(4)对已有的两系列混凝土紧凑拉伸实验和一系列混凝土三点弯曲的实验数据,分别计算了试件的应力强度因子,并分析了其尺寸效应。由黏聚裂纹应力强度因子计算公式结合双K断裂准则,分别提出针对不同试件的最大承载力的理论计算方法,通过理论峰值值与实验峰值平均值的对比,发现所得57组试件的相对误差中有56个小于10%。说明用此方法计算预估含缺陷材料结构的最大承载力是可行的。

论文目录

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• 英文摘要
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 断裂力学的产生、发展与应用
• 1.2 金属断裂力学的研究概况
• 1.3 混凝土断裂的研究概况
• 1.4 本文的研究内容与意义
• 第二章 带环向切口金属杆的扭转剪切断裂
• 2.1 带预制环向切口圆杆扭转实验
• 2.2 利用ANSYS数值模拟分析切口扭转圆杆的应力分布
• 2.3 扭转剪切-Ⅲ型裂纹的应力强度因子
• 2.4 带切口金属杆承载扭矩的计算
• 2.5 小结
• 第三章 铸铁三点弯曲梁断裂过程的应变片电测和电子散斑观测
• 3.1 电测实验
• 3.1.1 电测实验相片和应变片位置图
• 3.1.2 载荷-各应变片处黏聚裂纹张开位移关系曲线
• 3.1.3 黏聚裂纹张开位移与所处位置距预制裂纹底部距离关系曲线
• 3.1.4 载荷与中性层位置关系曲线
• 3.1.5 黏聚裂纹端点位置随载荷的变化曲线
• 3.2 电子散斑干涉原理
• 3.2.1 电子散斑干涉法的典型光路及基本原理
• 3.2.2 位移和光程变化的关系
• 3.3 电子散斑干涉法研究铸铁三点弯曲试件的位移场随载荷的变化
• 3.3.1 实验概况
• 3.3.2 实验结果及其分析
• 3.4 小结
• 第四章 带缺口的铸铁弯曲梁承载力实验与计算
• 4.1 铸铁弯曲实验与基于应力强度因子的承载力分析
• 4.1.1 铸铁三点弯曲切口梁加载实验
• 4.1.2 应力强度因子
• 4.1.3 承载力计算分析
• 4.2 小尺寸铸铁缺口梁断裂能和承载力分析
• 4.2.1 小尺寸金属三点弯曲实验
• 4.2.2 小尺寸试件的断裂能计算
• 4.2.3 应力强度因子的计算及分析
• 4.2.4 承载力理论值的计算及其与实验值的对比
• 4.3 综合大小尺寸的承载力分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 混凝土断裂的尺寸效应分析和承载力计算
• 5.1 带预制裂纹的混凝土试件紧凑拉伸断裂实验及理论计算
• 5.1.1 试样与实验原理及结果
• 5.1.2 应力强度因子的计算及分析
• 5.1.3 承载力理论计算及其与实验峰值的对比
• 5.2 大尺寸混凝土断裂试件的承载力计算
• 5.3 不同预制裂纹尺寸的小尺寸混凝土紧凑拉伸试件承载力分析
• 5.4 不同预制裂纹尺寸的混凝土三点弯曲梁试件承载力分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 应变片电测跟踪测试混凝土断裂过程及分析
• 6.1 电测实验和应变片粘贴方案
• 6.2 黏聚裂纹张开位移的变化规律
• 6.3 中性层位置及黏聚裂纹端点位置与载荷关系曲线
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目和发表的论文