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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划双材料界面断裂力学断裂力学是近半个世纪才发展起来的一门新兴学科，他是对经典连续介质的一个重要贡献。断裂力学主要研究带裂纹固定的强度和传播的规律。它的主要任务是研究裂纹尖端在载荷作用下的扩展规律，了解带裂纹体的承载能力，从而提出抗裂纹的设计方法，以保证构件的安全工作。断裂力学产生于人们对各种工程断裂事故的思考，为了避免断裂事故，人们与之进行了长期的，艰苦的和卓有成效的斗争，起初凭经验，后来发展成为理论。在断裂力学出现以前，传统的控制构件不发生断裂而能够安全工作的理论，称为强度条件或安全
2、设计，其基本思想是保证构件的工作应力不超过材料的许用应力。即：?安全设计对确保构件安全工作起了重大作用，至今仍然是必不可少的，但人们在长期的生产实践中逐步认识到在某种情况下，安全设计出的构件并不安全，断裂事故仍不断发生，特别是对于高强度材料构件，焊接构件，处在低温。或腐蚀环境中的结构等，断裂事故就更加频繁，例如，比利时阿尔伯运河上几座大桥的断裂，1949年东俄亥俄煤气公司的圆柱形液体天然气罐爆炸使周围街市变为废墟。这些接连不断的工程断裂事故引起了人们的高度警觉，这些事故发生在工作应力低于材料屈服极限的条件下，用传统的安全设计观点是无法解释的。从大量的工程事故中分析，断裂接起源于构件有缺陷，传统
3、的设计思想的一个严重是把材料视为无缺陷的均匀连续体，而实际上构件总是存在着形式不同的缺陷，因而实际材料的强度大大低于理论模型的强度。断裂力学正好弥补了传统设计思想的不足。断裂力学新进展：目前常规的有限元模拟裂纹扩展问题有网格重构法，打开节点法，消去单元法，断裂过程区法等，而这些方法受制于网格的划分，有限元模拟不连续的另一个思路就是在单元常规的连续位移上迭加上有应变间断的位移项，在一个单元范围内构建应变不连续面，因此不连续面可以不受制于网格的限制。扩展有限元(XFEM）是目前分析不连续力学问题最有吸引力的数值方法，该方法通过在单元常规的连续位移场上迭加上不连续的间断附加项和列间的应力奇异性，但目
4、前的XFEM要引入附加自由度，系统总的自由度随裂纹扩展而不断增加，对程序编写中的自由度编程造成一定的困难，而更为关键的是构造裂纹尖端附件的弹塑性场非常困难，因此目前该方法只限于弹性分析。现在有的商业软件虽已加入了XFEM模块，但还只能针对各向同性线弹性材料，裂纹扩展用的的是类似CZM准则。还不能很好的表现裂纹尖端奇异性，不能使用应力强度因子准则。此外，裂纹每次扩展都必须穿过一个完整的单元。有网敏感性，尚不能模拟裂纹大偏角扩展和多裂纹交汇的情况。问题提出与选模分析：1，单元子划分和子结构本文方法中，将结构中的单元分为三种，不含裂纹单元即普通单元；包含裂尖的单元；被裂纹贯穿的单元需要进行自划分，如
5、图，斜阴影单元为包含裂尖的单元，竖阴影单元为裂尖贯穿单元，其他为普通单元单元节点上的空心圆圈为初始网格的结点，单元内部和边界上的是实心点为子划分得到的内部结点，虚线为子划分单元的边。为了反映裂尖的奇异性包含裂尖的子划分退化为三角形的六结点奇异单元，对于界面裂纹，裂尖在两个单元的界面上，此时需要对两个单元同时进行子划分对于被裂纹贯穿的单元，有三种可能的子划分形式：裂纹贯穿单元的对边，此时原单元自然子划分为两个子单元;裂纹穿过单元的相邻边，原单元子可划分为三个子单元当裂纹遇到界面时，裂纹可能沿单元边偏转，此时原单元也可以子划分为两个子单元，对于贯穿的裂纹单元，也可以作为单元2子划分的特例，可令其中
6、退化为一条线的子划分单元刚度矩阵的元素退化为零。覆盖一条裂纹的所有子划分单可以组成一个子结构，子结构内部结点和子结构边界上的子划分结点的自由度，可以凝聚到子结构的表面结点的出口自由度。子结构的平衡方程为：为子结构的刚度矩阵、总结点位移和总的右端项，展开写为：其中分别为出口节点位移，内部节点位移，边界节点位移，为刚度矩阵中与上述各位移相对应的项，为交叉相，分别为出口结点荷载矢量、内部节点荷载矢量和边界结点荷载矢量，当裂纹表面不受载荷时有:子结构边界节点同时也是子结构外的边界上的结点，因此，其位移可以由所加他的两个出口结点的位移线性插值得到：将(3)带入的：将子结构的内部结点和边界结点的自由度凝聚
7、到出口结点自由度之后，子结构的刚度矩阵为：由于包含一根裂纹的子结构宽度始终是一个单元的宽度，因此子结构的所有出口结点均是初始网格单元的结点，并且子结构的内部节点不包含初始网格单元的结点，因此，无论裂纹怎么扩展，结构总体的自由度不变，结构的整体网格也无需重构。2裂纹起裂和扩展准则脆性材料可以采用最大应力和最大应变准则判断破坏，采用单元中的平均主应力来判断起裂，即如果最大主应力或主应变达到起裂值，就令单元中过型心产生一条垂直于主应力方向的贯穿裂纹，单元由常规单元变为裂纹贯穿单元，同时假设贯穿单元的裂纹已经进入了相邻单元，即假设相邻的单元以发展为包含裂尖的单元，这样就产生了一个包含了三个或两个的子结
8、构。裂纹扩展可以采用应力强度因子准则，应力强度因子采用交互积分求的，各向同性均质材料：其中为待求的应力强度因子，为裂尖附近的应力和位移，可以由有限元得到，分别为辅助场的应力强度因子及裂尖附近应力和位移，辅助场为任意的裂纹尖端场，本文分别取无限大纯I型和纯II型裂纹的尖端场作为辅助场，将相应的应力强度因子和裂尖应力、位移场的值代入，就可以求出。对于平面应力问题E*?E;对于平面应变，x2）问题，E*?E/(1?)，q右端就可以通过有限元计算得到，现在令J积分的外圈就是包含裂尖单元的四条边，而内圈收缩为裂纹尖端点，因此式右端可对围绕裂尖的一圈奇异单元进行积分，实际运算可对这五个单元积分点处的应力和
9、应变交叉相乘并且求平均得到。裂纹进一步的扩展方向采用某种准则，本文采用最大周向拉应力方向，相对于裂尖局部坐标的周向角可有下式计算得到：断裂判据函数为：其中为材料的断裂韧性，当起裂判据大于1时，另裂纹向前扩展一段距离，包含裂尖单元重新子划分并进行结构重分析，直至起裂判据小于1，各向同行双材料界面裂纹的交互积分为：式中，我们可以通过两次交互积分的计算分别得到应力强度因子KI和KII：其中选模分析采用含内部裂纹的无限大平板问题验证本文方法的计算精度，模型中板长宽与裂纹初始长度比例取130：1和100:1,裂纹不至于中间可以视为无限大平面问题。弹性模量E=150Mpa泊松比?=断裂韧性取K=11Mpa
10、m远场施加平行和垂直裂纹面的均部拉伸和剪切载荷：?和?裂纹分别为纯I型和II型，不同裂纹长度时应力强度因子的计算结果对于II型或I型和II型复合型裂纹，裂纹扩展将发生偏折偏折角度由式计算，裂纹半长取为3mm，4mm，5mm时，两种断裂模式下初始载荷分别取：A?0，?、I型和II型混合型B有限元与断裂力学XX王增贤研究背景及意义断裂力学是最近半个世纪才发展起来的一门新兴科学,它是对经典连续介质力学的一个重要贡献断裂力学主要研究带裂纹固体的强度和裂纹传播的规律,它的主要任务是研究裂纹尖端应力应变情况,掌握裂纹在荷载作用下的扩展规律,了解带裂纹体的承载能力,从而提出抗裂纹设计方法,以保证构件的安全工
11、作=.l断裂力学产生于人们对各种工程断裂事故的思考为了避免断裂事故,人们与之进行了长期的!艰苦的和卓有成效的斗争起初凭经验,后来发展成为理论在断裂力学出现以前,传统的控制构件不发生断裂而能够安全工作的理论,称为强度条件或安全设计,其基本思想是保证构件的工作应力不超过材料的许用应力,即安全设计对确保构件安全工作起了重大作用,至今仍然是必不可少的但人们在长期的生产实践中,逐步认识到在某种情况下,/安全设计0设计出的构件并不安全,断裂事故仍不断发生,特别是对于高强度材料构件,焊接结构,处在低温或腐蚀环境中的结构等,断裂事故就更加频繁例如,1938一1940年比利时阿尔伯运河上几座大桥的断裂;1943
12、一1947年美国5000余艘焊接船竟然连续发生了一千多起断裂事故,其中238艘完全毁坏;1949年东俄亥俄煤气公司的圆柱形液态天然气罐爆炸使周围街市变为废墟这些接连不断的工程断裂事故引起了人们高度的警觉,这些事故发生在工作应力低于材料的屈服极限的条件下,用传统的安全设计观点是无法解释的从大量断裂事故分析中发现,断裂皆起源于构件有缺陷传统的设计思想的一个严重问题是把材料视为无缺陷的均匀连续体,而实际上构件总是存在着形式不同的缺陷,因而实际材料的强度大大低于理论模型的强度断裂力学正好弥补了传统设计思想的不足根据国际坝工委员会(ICOLD)1988年所作关于大坝工作状态的调查报告,在失事的243座混
13、凝土坝中,有30座是由裂纹问题而引起的我国曾对98座大中型水电工程进行耐久性调查,结果发现70%大坝存在不同程度的裂纹混凝土坝存在各种类型的裂纹,裂纹的存在和扩展,使大坝的承载力受到一定程度的削弱,同时还会引起坝体渗漏!加速混凝土碳化!降低混凝土抵抗各种侵蚀性介质的耐腐蚀性能力等,甚至危害大坝的正常运行或缩短大坝使用寿命,因此裂纹问题是影响工程结构质量和耐久性的重要因素之一结构中裂纹的存在并不可怕,可怕的是裂纹的发展问题,因此研究裂纹的稳定性!预测裂纹的发展是评估结构的安全性!可靠性和耐久性必不可少的重要内容和关键技术断裂力学的研究现状断裂力学的基本概念最早是英国物理学家Griffith于19
14、20年在对玻璃的断裂研究中提出来的Griffith用材料内部有缺陷(裂纹)的观点,解释了材料实际强度仅为理论强度的千分之一的现象,同时认为,裂纹体受载时,如果裂纹扩展所需的表面能小于弹性能的释放值,则裂纹就扩展并将最后导致断裂这一理论在玻璃中得到了证实,但因它只适用于完全弹性体,即完全脆性材料,所以没有得到发展由于当时生产力水平的限制,断裂问题还不是一个严重问题直到第二次世界大战期间及战后,广泛采用焊接工艺及高强度材料,严重的脆断事故迭起,断裂问题引起了人们的关注,这方面的研究才蓬勃地开展起来从文=2中得知,1948年,Invin,Orowan各自独立地提出了修正的Griffith理论,指出将
15、裂纹尖端区塑性功计入耗散能,就能将Griffith理论用到金属材料;1956年,Irwin提出了应力强度因子理论和断裂韧度的新观念,建立了临界应力强度因子准则,认为裂纹尖端应力强度因子达到临界值时,裂纹就会失稳扩展,奠定了线弹性断裂力学理论基础;1%1年,W亡115提出了裂纹张开位移准则;1962年Paris提出了疲劳裂纹扩展公式,开辟了疲劳寿命预测的新领域;1962年Dugdale提出了著名的窄带屈服区模型;1968年形cel31建立了J积分原理,提出了J积分的守恒性;Hutchinsonl4,形ce和Rosengren提出了弹塑性裂纹尖端HRR奇异性,为弹塑性断裂力学奠定了理论基础在1961年,Kaplan首次将断裂力学概念应用于混凝土,并进行了混凝土断裂韧度的试验现场观测与试验表明,在断裂力学的研究中,裂纹的起裂并非意味着试件或材料体的破坏因此,对裂纹的扩展过程的
