具有傾斜裂紋的CTS試樣三維斷裂行為研究.pdf

1、國(guó)內(nèi)外對(duì)于三維復(fù)合型斷裂問題的研究迄今還很不成熟，目前三維復(fù)合型裂紋的研究主要針對(duì)一些形狀規(guī)則的貫穿裂紋和表面裂紋，對(duì)不規(guī)則形狀三維復(fù)合型裂紋的斷裂行為研究甚少，不能滿足工程實(shí)際的需要。本文選用Richard設(shè)計(jì)的具有貫穿直裂紋的CTS試樣，構(gòu)建了兩種不規(guī)則形狀的三維復(fù)合型裂紋，并采用商用ANSYS軟件以及修正的虛擬裂紋閉合積分方法進(jìn)行了數(shù)值分析，深入研究了具有傾斜裂紋CTS試樣的三維脆性斷裂特性及裂紋擴(kuò)展行為。
　　 本文首先

2、在CTS試樣二維模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了具有有限厚度的三維CTS試樣的計(jì)算模型。分別在Ⅰ型和Ⅱ型簡(jiǎn)單加載模式下，研究了試樣在三維邊界條件下的斷裂行為，指出三維效應(yīng)是導(dǎo)致CTS試樣在純剪切加載條件下產(chǎn)生復(fù)合型斷裂的主要原因。CTS試樣裂紋尖端離面應(yīng)力約束的定量分析直觀表明了三維效應(yīng)的影響范圍。同時(shí)，還分析了加載角度和材料常數(shù)泊松比對(duì)CTS試樣斷裂行為的影響。
　　 在三維CTS試樣斷裂行為研究的基礎(chǔ)上，采用HYPERMESH軟件對(duì)已有

3、的三維CTS試樣計(jì)算模型進(jìn)行了改進(jìn)，通過傾斜其裂紋前沿構(gòu)建了具有復(fù)合型裂紋的MCTS試樣，結(jié)合Richard設(shè)計(jì)的特殊加載裝置，研究了貫穿斜裂紋在平面內(nèi)不同加載條件下的斷裂特性，揭示了導(dǎo)致試樣產(chǎn)生復(fù)合型斷裂的主要原因。在上述數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)Richard判據(jù)探討了試樣在不同加載條件下裂紋的初始擴(kuò)展行為。通過改變裂紋前沿的傾斜角度，總結(jié)了在Ⅰ型和Ⅱ型簡(jiǎn)單加載條件下不同傾角貫穿斜裂紋的斷裂規(guī)律，分析了裂紋前沿復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋前

4、沿傾角的變化情況。
　　 采用同樣方法，對(duì)具有傾斜裂紋平面的MCTS試樣建立計(jì)算分析模型，結(jié)合Richard設(shè)計(jì)的特殊加載裝置，研究了具有傾斜裂紋平面的貫穿裂紋在不同加載條件下的斷裂特性，揭示了導(dǎo)致試樣產(chǎn)生復(fù)合型斷裂的主要原因。在上述研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)Richard判據(jù)探討了試樣在不同加載條件下裂紋的初始擴(kuò)展行為。通過改變裂紋平面的傾斜角度，分別在Ⅰ型和Ⅱ型簡(jiǎn)單加載條件下建立了裂紋前沿復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋平面傾斜角度之間的變

5、化關(guān)系，總結(jié)了其裂紋的斷裂規(guī)律。
　　 為了對(duì)本文的數(shù)值計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，選取具有45°傾斜裂紋平面的MCTS試樣，借助ANSYS軟件提供的APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，并采用MVCCI方法及能量釋放率與應(yīng)力強(qiáng)度因子的等效變換關(guān)系，模擬了試樣在Ⅰ型及Ⅱ型簡(jiǎn)單加載條件下裂紋的擴(kuò)展軌跡及其擴(kuò)展特征。同時(shí)，采用透明有機(jī)玻璃材料加工了帶有45°傾斜裂紋平面的MCTS試樣，分別在Ⅰ型和Ⅱ型加載條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出了試樣裂紋的實(shí)際擴(kuò)展情況。研究結(jié)果