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脆性/韧性断裂机理与判据及裂尖变形理论研究

作　者: 杨新辉
导　师: 栾茂田
学　校: 大连理工大学
专　业: 水工结构工程
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
分类号: TV313
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

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

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