不同断裂形式的宏细观机理及裂纹扩展方向研究

通过对材料断裂破坏本质的宏、细观分析，研究裂纹尖端材料发生解理断裂、孔洞正断、孔洞剪断及塑性剪断时细观机理变化规律与主要影响参数，分析裂纹在复杂应力状态下的破坏机理和不同类型断裂面产生的原因，提出针对不同断裂形式的断裂判据；实验研究不同载荷比和材料特性对断裂破坏形式的影响，分析材料发生不同形式断裂破坏的转变特征，得到不同断裂形式转化过程中应力状态参数的分界值；分析裂纹扩展的本质因素，寻找制约裂纹扩展的应力场参量，纠正以往对裂纹起裂方向认识上的偏差，建立裂纹起裂的实用判据。本项目的研究可以开辟新的研究思路，完善对断裂破坏判据的认识，为裂纹扩展特性的深入研究奠定良好的理论基础，对认识断裂规律、优化结构材料和完善断裂理论有重要的理论意义。

本项目实验分析了不同载荷比和材料特性对断裂破坏形式的影响，研究了材料发生不同形式断裂破坏的转变特征，发现材料的基本断裂形式可以分为准解理断裂、有孔洞的正拉断、有孔洞的塑性剪断和无孔洞的剪断等四种，其相应的断裂机理各不相同，应力三轴度随不同的断裂形式呈下降趋势，分析得到不同断裂形式转化过程中应力状态参数的分界值；对材料四种断裂形式及特征的宏细观以及应力三轴度作为断裂判据的有效性进行了深入的研究，并对结构形状改变对应力分布和材料破坏形式的影响进行了实验对比，表明本研究所得的判据与试验结果有较好的一致性；对于塑性变形对断裂机理的影响以及对材料破坏的作用提出新的认识，通过对材料破坏时不同细观机理的研究，探讨了屈服流动、强度极限的自然本质，分析了弹塑性变形及变形能与载荷间的理论关系和卸载试验结果，分析认为弹性变形和塑性变形不但细观机理不同，宏观作用也不同，在弹塑性加载过程中，材料弹性性质不变，载荷与弹性变形存在一一对应的线性关系，载荷在弹性变形上做的功转为变形能，塑性变形使构件外在几何形状改变，内在晶体硬化，应力集中程度得到缓解，使结构可以承担更大的载荷；提出了用塑性应变能作为度量材料破坏参量的思想，从塑性应变能密度的定义、标定以及计算出发，研究了用其作为材料破坏参量的有效性，分析了拉伸、扭转、拉扭组合等形式下材料破坏的塑性应变能变化规律，并与实验进行对比，得到了较为一致的结果；发展了无网格方法在断裂问题中的应用，提出多种新的无网格格式：单位分解扩展无网格方法、扩展径向点插值无网格法(X-RPIM)、以及针对模拟裂纹扩展的水平集与无网格耦合法，并成功应用于分析裂隙岩体的扩展及断裂参量的求解以及多裂纹的相互作用分析中；利用FRANC软件对裂纹的扩展行为进行了数值模拟，对裂纹的起裂和扩展特性进行了详细的分析，提出了与以往不同的裂纹起裂判据；对材料微观破坏与宏观断裂之间的关系进行了深入的研究，分析了含多个圆形纳米孔洞的弹性平面中表面/界面效应的影响，以及孔洞尺寸和构型变化所带来的影响；提出了利用功能梯度层状结构模型研究微裂纹损伤结构的表面波传播特性，旨在实现含微裂纹表面的结构亚表面层宏观等效材料参数的超声无损检测，为多微裂纹结构的宏观机理研究提供理论依据。