【摘要】：各種工程實(shí)際結(jié)構(gòu)的破壞形式,大體上可以歸結(jié)為三種類型:磨損、腐蝕和斷裂。通常來(lái)說(shuō),斷裂的發(fā)生多具突發(fā)性。對(duì)于大型工程結(jié)構(gòu),一旦發(fā)生斷裂,后果往往是災(zāi)難性的。如何經(jīng)濟(jì)、高效地預(yù)防斷裂事故成為了關(guān)乎設(shè)備穩(wěn)定、人身安全的重要課題,因此,斷裂力學(xué)問(wèn)題的深入研究對(duì)于工程應(yīng)用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)都有著重要價(jià)值。由于工程結(jié)構(gòu)在幾何形狀、材料特性和受力狀態(tài)上的復(fù)雜性,使得對(duì)其進(jìn)行斷裂分析必須依賴相應(yīng)的試樣構(gòu)元,而材料的斷裂測(cè)試中應(yīng)用最廣的是Ⅰ型裂紋試樣的斷裂韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。應(yīng)力強(qiáng)度因子K是線彈性斷裂力學(xué)的重要參量,半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)廣泛應(yīng)用于疲勞裂紋擴(kuò)展速率、斷裂韌性的測(cè)試和結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)。對(duì)各類裂紋構(gòu)件提出應(yīng)力強(qiáng)度因子K的表達(dá)方程、獲得柔度C與裂紋長(zhǎng)度關(guān)系方程以便于結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)和斷裂性能測(cè)試是斷裂力學(xué)應(yīng)用的重要任務(wù)。當(dāng)前常用裂紋試樣的K因子和柔度C表達(dá)形式各異且參數(shù)數(shù)目較多,一些裂紋試樣的K因子和柔度公式中參數(shù)達(dá)到或超過(guò)6個(gè);對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)試樣的K因子和柔度C表達(dá)式的獲取主要根據(jù)有限元分析數(shù)據(jù)而采用回歸和擬合的方式,比較繁冗。表征彈塑性材料裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)程度的J積分具有相當(dāng)嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)和明確的物理意義,是研究彈塑性斷裂力學(xué)的重要參量。目前J積分的計(jì)算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但對(duì)各類裂紋構(gòu)元獲得J積分以及載荷-位移關(guān)系的解析公式以實(shí)現(xiàn)材料斷裂韌性理論預(yù)測(cè)和材料測(cè)試是斷裂力學(xué)的重要而困難的任務(wù)。以J積分為基礎(chǔ)參量的材料斷裂測(cè)試中,目前應(yīng)用最為廣泛的是Ⅰ型裂紋試樣的斷裂韌性測(cè)試。考慮到當(dāng)前斷裂韌性測(cè)試中各種斷裂參量還存在的問(wèn)題和不足,本文研究了多種形式Ⅰ型裂紋構(gòu)元的應(yīng)力強(qiáng)度因子K、柔度C和J積分公式,主要完成了以下工作:(1)針對(duì)9種Ⅰ型裂紋試樣,本文基于Chen-Cai能量等效原理提出了僅有2至3個(gè)參數(shù)的K因子、柔度C的半解析公式。結(jié)果表明,K因子和柔度C半解析公式與文獻(xiàn)公式、有限元結(jié)果吻合良好。半解析公式的建模方法簡(jiǎn)便有效,便于工程應(yīng)用,新方法對(duì)于獲得各類異型小試樣的K因子和柔度C的半解析表達(dá)式十分方便。(2)在平面應(yīng)變條件下,本文針對(duì)斷裂韌性測(cè)試中使用的6種Ⅰ型裂紋構(gòu)元,基于能量等效原理提出了J積分-載荷和載荷-位移的半解析表征方法,進(jìn)而結(jié)合有限元分析的少量計(jì)算獲得J積分-載荷和載荷-位移關(guān)系的半解析公式待定參數(shù)。分析表明,6種Ⅰ型裂紋構(gòu)元的J積分-載荷和載荷-位移半解析公式的預(yù)測(cè)結(jié)果與有限元結(jié)果吻合良好。新提出的J積分-載荷半解析公式包含了材料的彈性模量、應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)和應(yīng)變硬化指數(shù),能夠廣泛適應(yīng)不同的材料,且運(yùn)用該公式能夠方便獲取任意載荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的J積分值。應(yīng)用新方法便于獲得各類Ⅰ型裂紋構(gòu)元的J積分-載荷和載荷-位移半解析公式,也可為獲取其他類型裂紋構(gòu)元的J積分-載荷和載荷-位移的半解析公式提供新的途徑。(3)基于Chen-Cai能量等效原理,針對(duì)用于PLT試驗(yàn)的核電含裂紋薄壁圓管提出了PLT試樣的應(yīng)力強(qiáng)度因子、柔度和J積分的半解析公式。
【圖文】：

圖 1-2 J 積分路徑示意圖( , ) d d diiiuuW x y Py T s W y T sx x 圍繞裂紋尖端的任意的光滑封閉回路：即

圖 1-3 裂紋類型的分類際問(wèn)題并不能全部簡(jiǎn)化為上述 3 種基本模型之一，但 I 型的斷裂模式，因而在斷裂力學(xué)的研究中 I 型裂紋的內(nèi)容占斷裂韌性研究也是最為深入的。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O346.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 任，

本文編號(hào)：2696912