断裂力学

摘要： 背景:与基于面骨密度的临床工具相比,特定载荷条件下的有限元模型强度分析越来越多用于改善对骨折风险的评估.然而,大多数有限元模型仅限于估计骨强度和可能发生骨折的位置,不能对骨折过程本身进行建模.目的:在ABAQUS软件中使用扩展有限元法对股骨颈骨折裂纹进行模拟,采用基于最大主应力和能量的准则来确定裂纹的起裂位置和裂纹扩展路径.方法:收集1名健康志愿者股骨近端CT数据,以DICOM格式导入Mimics重建三维模型,赋予皮质骨、松质骨相应材料参数.最初进行静态分析,以评估骨应力分布并确定骨折危险区域.基于应力结果和排除边界附近的单元,定义了允许在扩展有限元法分析中发生断裂的富集区,当主应力超过116 MPa时单元发生裂纹萌生,预测裂纹位置与演变过程.结果 与结论:①静力学分析:在站立位载荷下,股骨颈出现应力集中,最大等效应力为711.8 MPa,根据第四强度理论,股骨皮质骨屈服强度为116 MPa,当前载荷下股骨颈将发生不可逆的塑性破坏.此外,最大主应力集中于股骨颈外侧,最大值超过116 MPa.②裂纹扩展分析:裂纹的产生是一个蓄积能量的过程,随着应力不断增大并超过阈值时,股骨颈外上方开始出现单元损伤,此时为黏性裂纹状态,仍有抗断能力.随着应力继续增大,该单元完全失效,此时裂纹面周围及尖端应力值迅速降低,应力集中向单元两侧分布.裂纹先后向股骨颈前上、后下方向延伸,最终形成股骨颈骨折.③基于断裂力学建立的股骨近端骨折模型,既能很好地预测弹性行为,又能很好地预测站立载荷下的断裂裂纹路径及评估力学性能和临界主应力的影响,同时强调了充分校准断裂标准的重要性.该方法较强度理论建模方法提供了更多关于骨折裂纹扩展机制的信息,有助于对骨折潜在风险的深入探究.

摘要： 背景:与基于面骨密度的临床工具相比,特定载荷条件下的有限元模型强度分析越来越多用于改善对骨折风险的评估。然而,大多数有限元模型仅限于估计骨强度和可能发生骨折的位置,不能对骨折过程本身进行建模。目的:在ABAQUS软件中使用扩展有限元法对股骨颈骨折裂纹进行模拟,采用基于最大主应力和能量的准则来确定裂纹的起裂位置和裂纹扩展路径。方法:收集1名健康志愿者股骨近端CT数据,以DICOM格式导入Mimics重建三维模型,赋予皮质骨、松质骨相应材料参数。最初进行静态分析,以评估骨应力分布并确定骨折危险区域。基于应力结果和排除边界附近的单元,定义了允许在扩展有限元法分析中发生断裂的富集区,当主应力超过116 MPa时单元发生裂纹萌生,预测裂纹位置与演变过程。结果与结论:①静力学分析:在站立位载荷下,股骨颈出现应力集中,最大等效应力为711.8 MPa,根据第四强度理论,股骨皮质骨屈服强度为116 MPa,当前载荷下股骨颈将发生不可逆的塑性破坏。此外,最大主应力集中于股骨颈外侧,最大值超过116 MPa。②裂纹扩展分析:裂纹的产生是一个蓄积能量的过程,随着应力不断增大并超过阈值时,股骨颈外上方开始出现单元损伤,此时为黏性裂纹状态,仍有抗断能力。随着应力继续增大,该单元完全失效,此时裂纹面周围及尖端应力值迅速降低,应力集中向单元两侧分布。裂纹先后向股骨颈前上、后下方向延伸,最终形成股骨颈骨折。③基于断裂力学建立的股骨近端骨折模型,既能很好地预测弹性行为,又能很好地预测站立载荷下的断裂裂纹路径及评估力学性能和临界主应力的影响,同时强调了充分校准断裂标准的重要性。该方法较强度理论建模方法提供了更多关于骨折裂纹扩展机制的信息,有助于对骨折潜在风险的深入探究。

摘要： 以Ⅲ型裂纹(反平面剪切)问题为例,对裂纹尖端弹塑性应力场进行了分析研究。首先,基于断裂力学基本理论,引入弹塑性本构关系,推导弹塑性裂纹尖端场;其次,依据线弹性场中应力强度因子的定义和基于J-积分的弹塑性裂纹尖端应力场的分布,并结合物理意义,定义了与线弹性场应力强度因子一致的弹塑性应力强度因子,来表征弹塑性裂纹尖端应力场的强度;最后,对本文所定义的弹塑性应力强度因子进行了合理性分析,说明了本文定义的适用性。本文所定义的弹塑性应力强度因子,相比于表征弹塑性场的J-积分,具有更明确的物理意义和更简明的表达形式;为弹塑性裂纹尖端场的分析和含裂纹材料弹塑性破坏判据的建立提供了理论方法。另外,本文方式也适合于定义Ⅰ型和Ⅱ型问题。

摘要： 为了预测含缺陷热障涂层微裂纹的扩展方向,研究了裂纹所处位置与裂纹本身长度等多重因素下,裂纹周围的应力分布以及断裂情况。基于断裂力学理论对复合结构界面为正弦波界面的热障涂层层内裂纹以及界面裂纹通过有限元分析软件ANSYS进行模拟计算,并根据J积分数值判定材料界面曲线裂纹扩展方向。结果表明:小裂纹容易沿着近水平方向扩展,而随着裂纹长度的增加,易沿着与水平方向夹角为30°~60°方向扩展。揭示了材料细观结构特征对其宏观破坏机理的影响规律。

摘要： 为保证铁路钢桥中高强度桥梁钢在低温环境下的服役安全,提出基于裂纹尖端张开位移(CTOD)特征值的桥梁钢防脆断评价方法。首先建立基于CTOD的桥梁钢脆性断裂判据,再基于断裂力学理论推导典型桥梁钢构件断裂驱动力理论公式,依据断裂韧性CTOD特征值随温度和厚度的变化规律提出断裂抗力经验公式。以Q690qE桥梁钢为例,基于以上方法,分析钢构件工作应力水平以及裂纹尺寸得到断裂驱动力,通过回归Q690qE桥梁钢的CTOD试验数据得到断裂抗力,将断裂驱动力和断裂抗力代入脆性断裂判据,得到了Q690qE桥梁钢在不同温度下的容许厚度。

摘要： 施工升降机标准节的齿条是升降机的关键部件,对施工升降机的正常使用具有重要意义。本文运用断裂力学的相关原理,讨论了施工升降机标准节齿条产生裂纹后的受力情况,对齿条产生断裂进行了力学分析。

摘要： 以液压摆动油缸叶片密封为研究对象,基于断裂力学理论,建立叶片密封疲劳寿命预测公式;采用Mooney-Rivlin本构模型表征密封件的力学行为,利用ABAQUS对密封件进行仿真分析,研究预压缩率和工作油压对叶片密封疲劳失效寿命的影响;应用疲劳寿命预测公式,预测了危险截面的寿命值。研究结果表明:叶片密封最容易疲劳断裂的位置位于低压侧靠近叶片槽倒角处;在10%~20%预压缩率下,疲劳寿命值先增加后减小,在12%压缩率时达到峰值;工作油压对密封失效和疲劳寿命的影响最大,工作油压达到10 MPa以后,疲劳寿命急速下降。通过试验样机叶片密封的疲劳断裂位置,间接验证了理论分析的正确性,为摆缸叶片密封疲劳寿命的预测提供理论方法。

摘要： 为探究钢-UHPC组合结构中栓钉连接件的疲劳性能,基于SWT方法与断裂力学理论,建立了考虑栓钉焊接细节的1/4推出试验有限元模型,以研究钢-UHPC组合结构中短栓钉的疲劳寿命预测方法。通过定义材料非线性特性研究栓钉的荷载-滑移曲线与应力分布规律,得出栓钉焊接细节的最不利位置,及其临界平面,由此计算其裂纹萌生寿命,以及稳步扩展疲劳裂纹寿命,对栓钉疲劳性能进行评估,最后提出了基于有限元计算得出的栓钉疲劳寿命预测公式。结果表明:通过建立栓钉焊趾细节能够较好地模拟UHPC中短栓钉的荷载-滑移特性,方法和所提出的疲劳寿命预测公式能较好地预测栓钉的疲劳寿命,疲劳应力幅值对栓钉的损伤参数影响较大,疲劳裂纹萌生寿命所占比例最大可达90%以上,研究内容可为钢-UHPC组合结构中栓钉的疲劳性能评估提供参考。

摘要： ASME 2021版V.5 A.4《焊缝UT》强制性附录XI《全矩阵捕获》实为全矩阵捕获-全聚焦法(简称双全法)焊缝检测实滋准则。本文解读该双全法准则,探析其要领,包括程序、人员、设备、校验、检测、评定等,突出“波幅保真度”等技术亮点。领悟要端,有助于承压设备在制在用现场高效高质检测。

摘要： 本文基于各向同性Hoek-Brown强度准则的断裂力学理论,从层状岩石细观断裂机理出发,分析初始微裂纹沿层理分叉后起裂条件,考虑初始裂纹引发岩石破裂的临界角,建立层理弱面主导裂纹偏转的参数m_(1)各向异性公式,引入考虑岩石沿层理和基质混合破裂修正系数,得到Hoek-Brown强度准则的各向异性修正模型。对比其他各向异性Hoek-Brown模型以及页岩三轴试验结果证明了模型的有效性。修正模型继承了各向同性Hoek-Brown强度准则的断裂力学理论对于岩石破坏特征量的选择,反映了岩石的细观破坏机理,同时考虑层理各向异性的影响,准则中的相关参数物理意义明确。模型中参数m与层理面角度、层理及岩石的抗拉强度、抗压强度、摩擦系数有关,其中层理面摩擦系数的变化会引起参数m极小值点位置及岩石强度特性发生改变。

摘要： 针对高速列车转向架焊接构架存在的表面线性缺陷和根部连续缺陷,基于断裂力学理论,采用结构设计规范中的工程计算方法获得不同缺陷深度的应力场强度因子,结合构架接头材料的特性,进一步得到不同应力水平下的缺陷容限尺寸.焊缝表面线性缺陷和根部连续缺陷的前缘,应力场强度因子随着缺陷深度或应力的增加而增加;焊缝表面线性缺陷的深宽比a/c越小,应力场强度因子越大;随着应力水平的增加,缺陷容许尺寸明显降低.

摘要： 本文通过对CRH5A车轴运用过程中关键部位受到的击打损伤进行调研,并对车轴材料断裂韧性、裂纹扩展门槛值、裂纹扩展速率等断裂力学指标进行试验研究,建立关键部位的损伤评估模型,为损伤容限的制定和车轴出现裂纹后剩余寿命的评估提供分析模型,用于后期CRH5A车轴探伤周期的制定.

摘要： 为了解决异种金属焊接接头性能的评价困难,基于断裂力学的实验研究结合层次分析法,提出了铜-钢双材料界面性能评价方法的通用框架和关键技术.该方法包括建立评价体系、界面性能评价指标的确定、界面性能的数据收集范围、评价工具的选取以及评价结果输出等步骤,对铜-钢双材料的比较、分析、优化提供了客观、量化的依据和目标.以大厚度铜-钢电子束焊双材料为案例,验证了铜-钢双材料界面性能的评价方法对于铜-钢焊接接头性能评定的可行性与有效性.

摘要： 木材的剪切性能相对其它力学性能较低,在不确定的多种应力作用下,胶合木梁很可能产生剪切破坏.然而,因其抗剪性能研究较为复杂且较少,胶合木梁的抗剪设计常被忽视.本文整理和分析了胶合木梁抗剪性能研究现状,介绍和分析了影响胶合木梁抗剪性能的因素,包括剪跨比、构件尺寸、测试方法、裂纹及干湿条件等,分类总结和评价了胶合木梁抗剪设计的几种理论方法——Weibull脆性断裂理论、两梁理论及断裂力学理论，为胶合木梁的抗剪设计提供参考.

摘要： 危岩滑坡泥石流等重力地貌过程的力学描述是地貌过程精细演化研究的关键科学问题.论文以危岩滑动破坏为例,针对巫峡望霞危岩的地质模型,构建了危岩滑动破坏力学模型.将危岩滑动破坏模式分解为三种基本断裂力学模型,即弯矩模型、剪应力模型和压应力模型.采用断裂力学方法求解所建立的断裂力学模型,得到危岩联合断裂应力强度因子计算方法,据此提出了危岩断裂稳定性分析方法.望霞危岩破坏实例证实了本文计算方法的科学性和实用性.研究结果表明,将断裂力学、损伤力学等工程力学引入地貌学研究,解决重力地貌过程本质特征描述这一关键科学问题,可望实现传统地貌学研究的重大突破.

摘要： 该研究的主要目的在于对损坏的某变电站500kV隔离开关拐臂处软连接处的断裂失效进行分析.该研究的理论依据基于材料力学、工程力学、断裂力学等力学体系,结合对实物测量检验的数据及失效发生现场的环境因素,对失效部件进行综合分析,推理造成失效发生的主要原因,为预防后续同类失效事故的发生提供理论依据.

摘要： 本文对数字式阵列高速摄像系统进行设计,并对动态实验断裂力学的应用进行研究.首先,提出3*3数字式阵列高速摄像系统的设计方案,包括3*3阵列LED光源系统、3*3阵列CCD相机系统、高精度时序同步延迟控制系统、光学成像系统、加载系统等.其次,基于几何光学成像原理,分析了光学系统几何参数对像差的影响规律.最后,将焦散线、数字散斑等先进光学实验方法与数字式阵列高速摄像系统相结合,研究PMMA梁和板等试件在低速冲击下变形、裂纹起裂和扩展等动态力学行为,证明了该阵列数字式高速摄像系统的可行性.

摘要： 本文利用经典的压电断裂力学理论,通过ABAQUS有限元软件建立二维压电材料中心裂纹模型,采用位移外推法计算了冲击机械载荷作用下动态广义应力强度因子,并将计算结果与边界元法进行比较.算例验证了有限元法的高效性和准确性.

摘要： 利用ABAQUS的扩展有限元方法(XFEM)对中心穿透斜裂纹板进行了数值模拟,计算了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的裂纹扩展和应力强度因子.通过对比解析解,考察裂尖应力变化及裂纹扩展期间的能量变化体现了扩展有限元法的准确性以及其在裂纹扩展领域得天独厚的优势,为工程实际应用提供参考.

摘要： 利用ABAQUS的扩展有限元方法(XFEM)对中心穿透斜裂纹板进行了数值模拟,计算了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的裂纹扩展和应力强度因子.通过对比解析解,考察裂尖应力变化及裂纹扩展期间的能量变化体现了扩展有限元法的准确性以及其在裂纹扩展领域得天独厚的优势,为工程实际应用提供参考.

摘要： 本发明提供了一种基于概率断裂力学的钢桥面板疲劳可靠度评估方法，利用车辆动态称重(WIM)实测数据，通过统计分析确定车辆荷载随机参数的概率分布模型，编制随机抽样程序实现多车道随机车流模拟，根据三维梁段有限元分析确定疲劳易损细节应力影响面，基于影响面加载获得疲劳评估荷载谱和应力谱；引入随机过程和断裂力学理论建立裂纹随机扩展理论模型，结合标准试样裂纹扩展试验并编写裂纹扩展模拟程序量化其模型参数；构建疲劳失效极限状态方程，结合可靠度理论评估钢桥面板构造细节疲劳可靠度时变规律。该方法为复杂钢桥面板的精细化疲劳评估提供了新思路，评估结果可作为潜在疲劳细节损伤状况评定以及制定维护决策方案的重要依据。

摘要： 本发明涉及一种基于三维弹塑性约束断裂力学的J‑R曲线预测方法，通过开展不同几何尺寸下的夹持式SENT断裂试验，与数值分析和理论相结合，提出的方法可以实现对含裂纹的压力容器或管道J‑R曲线的精准预测，避免了过于保守的结果造成的经济损失，也更加安全可靠的用于结构完整性评定；同时实现了不同应力状态下断裂韧性的统一，从而实现对其他裂纹结构J‑R曲线的准确预测。

摘要： 基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置，涉及工程结构健康监测领域。本发明是为了解决现有缺少模拟工程材料裂缝的装置，不能检测裂缝的受力的问题。上测试板和下测试板沿竖直方向搭接，且搭接处用于模拟裂缝，固定支座固定在下测试板的一侧面，R向滑台设置在固定支座上，Y向滑台设置在R向滑台上，Z向滑台设置在Y向滑台上，Z向滑台与上测试板一侧面固定连接；光纤传感器，用于感应上测试板和下测试板产生缝隙引起的应变或波长的变化；光纤传感设备用于光纤传感器应变或波长的接收与显示，还用于建立Z向滑台、Y向滑台和R向滑台中至少一个滑台产生的位移和该位移对应的应变或波长变化关系。它用于裂缝模拟和标定。

摘要： 一种基于构造样式分析定量表征断裂力学性质的方法：基于三维地震资料、相干数据体和曲率数据体资料，读取断裂相关的构造样式特征；基于不同性质区域应力背景下断裂的差异性特征，选取能反映断裂力学性质的五类构造样式，建立详实的构造样式数据库；通过建立隶属函数和评判矩阵，求取五类构造样式的权重系数和隶属度，初步实现地质特征向定量数据的转化；基于五类构造样式权重系数和单构造样式隶属度，建立定量评价数学模型，求取每个断点的力学性质数值；基于每个断点的力学性质数值，运用Petrel软件绘制各主干断裂力学性质数值平面展布图，完成陆相断陷盆地断裂力学性质定量评价标准的划分。本发明可以高效、准确、定量的刻画断裂的性质。

摘要： 本申请公开了一种细观尺度下沥青胶浆与集料界面断裂力学参数获取试验夹具及其试验方法，该试验夹具包括以下组件：试验夹具主体、试件浇筑载台和沥青胶浆膜厚度控制挡片；试验方法包括以下步骤：筛选集料、浇筑环氧树脂硬性胶、切割集料、浇筑沥青膜、粘贴夹具、安装端部楔形夹具、施加荷载并记录数据和计算界面拉伸断裂力学参数；该试验方法能够实现细观尺度下的沥青胶浆与集料界面拉伸断裂力学参数测定，能够消除宏观尺度试验中尺寸效应、边界条件等因素的影响；该方法可以定量控制沥青胶浆与集料界面厚度，适应于测定不同种类的沥青胶浆与集料界面。

摘要： 本发明公开了一种基于微观力学和断裂力学试验方法的高韧性水泥基工程复合材料配方设计方法。包括以下步骤：(1)预定高韧性水泥基工程复合材料配方的性能；(2)确定纤维参数，如纤维类型、纤维长度、纤维直径，并进行基体参数选择如基体各组分预配、确定基体断裂韧性Km、弹性模量Em；(3)确定纤维‑基体界面参数，如摩擦粘结强度τ、化学粘结强度Gd、滑移‑硬化系数β和纤维‑界面之间的缓冲因子g；(4)根据以上参数确定纤维体积分数，然后根据材料配合比进行试验，验证材料是否满足预定性能。本发明方法与其他试验设计方法相比，在水泥基质和纤维参数的选择上具有更好的理论依据和科学性。

摘要： 本发明提供了一种金刚石自支撑膜微观悬臂梁弯曲断裂力学性能的测试装置及方法，包括：单晶硅基体表面沉积金刚石膜、化学腐蚀硅基体得到自支撑化的金刚石膜、激光切割得到悬臂梁结构。在测试过程中，首先将被测悬臂梁样品固定在位移平台上，在显微镜的观察下调节三坐标位移平台，使压头对准微悬臂梁的自由端，通过控制压电陶瓷促动器驱动压头匀速加载直至悬臂梁弯曲断裂，对加载过程中的实时位移和接触载荷数据进行记录，获得位移‑载荷曲线。本发明解决了厚度较小的化学气相沉积金刚石膜断裂力学性质的测试难题，通过获得金刚石膜的杨氏模量、断裂强度和断裂韧性等力学性质参数，进而改善金刚石膜的沉积工艺，提升其断裂强度和韧性。

摘要： 本发明公开了一种疲劳及断裂力学的试验夹持工装，待测试样为镜像对称结构，通过镜像对称布设的分体式的两个夹持组件分别对试样的镜像两侧进行夹持定位，再通过试验机对标准试样进行线弹性平面应变断裂韧性试验，或非标准试样进行裂纹预制和准静态拉伸试样。通过转接头将夹具体连接在试验机上，夹具体开设有U型槽，试样可沿夹具体的径向方向进入U型槽内，由于转接头沿轴向与夹具体连接，使得试样的载荷链是以夹具体的中心轴线为基准，对中度有保证；本方案通过转接头、夹具体和连接件的协同配合，快速简便地完成试样的夹持定位，以对试样进行试验，相对于现有技术，制造材料容易获得，加工精度要求容易实现，制造难度低，试验结果的精确度高。

摘要： 本发明涉及用于断裂力学裂尖奇异场计算的扩展有限元方法，包括如下步骤：S1：建立包含裂纹的几何模型，获得贝济尔单元，输入材料参数杨氏模量与泊松比，施加边界条件；S2：获得贝济尔单元的控制点对应在几何模型上的投影点；S3：基于投影点采用具有选择插值特性的最小二乘无网格法作为近似基函数，并获得位移场；S4：利用近似基函数对无网格法中的插值系数进行重新逼近；S5：对重新逼近后的无网格法中的插值系数进行映射，使其对应于贝济尔单元的控制点；S6：利用映射过后的插值系数对位移场进行逼近，求解获得最终位移场。本发明无需附加自由度即可高效捕捉裂尖奇异应力场，可获得良好的系统方程条件数，且模型几何精确性能够保持。

摘要： 一种基于构造样式分析定量表征断裂力学性质的方法：基于三维地震资料、相干数据体和曲率数据体资料，读取断裂相关的构造样式特征；基于不同性质区域应力背景下断裂的差异性特征，选取能反映断裂力学性质的五类构造样式，建立详实的构造样式数据库；通过建立隶属函数和评判矩阵，求取五类构造样式的权重系数和隶属度，初步实现地质特征向定量数据的转化；基于五类构造样式权重系数和单构造样式隶属度，建立定量评价数学模型，求取每个断点的力学性质数值；基于每个断点的力学性质数值，运用Petrel软件绘制各主干断裂力学性质数值平面展布图，完成陆相断陷盆地断裂力学性质定量评价标准的划分。本发明可以高效、准确、定量的刻画断裂的性质。