具有约束应力区的运动裂纹模型与求解

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本文研究的课题属于断裂动力学问题。Dugdale裂纹模型,即条状屈服裂纹模型,在描述材料破坏与分离机理方面,具有重要作用。有学者将静态的Dugdale裂纹模型,发展为Dugdale运动裂纹模型,即在运动裂纹尖端引入一个条状塑性区,并进行了解析求解。存在的问题是,当裂纹运动速度达到Rayleigh波速时,发现裂纹张开位移(COD)出现间断(即不连续)。当裂纹运动速度从小于Rayleigh波速的方向趋于Rayleigh波速时,COD趋于正无穷大;当裂纹运动速度从大于Rayleigh波速的方向趋于Rayleigh波速时,COD趋于负无穷大。针对这一问题,本文主要作了以下工作。  (1)约束应力区与条状屈服区在物理概念上是不同的,约束应力区与裂尖区材料的损伤状态相联系。本文在运动裂纹尖端引入一个约束应力区,建立了裂尖具有约束应力区的运动裂纹模型。  (2)假设运动裂纹尖端区内约束应力呈线性分布,并引入两个速度效应函数,分别描述裂纹运动速度对远场应力与约束应力的影响。采用复变函数方法,对具有约束应力区的运动裂纹模型进行了解析求解,得到了应力场、位移场、裂尖应力强度因子(SIF)及裂纹张开位移(COD)的解析解。新的裂纹张开位移求解结果,在Rayleigh波速下为连续,且为有限值,克服了经典结果存在的缺陷。  (3)在对Dugdale运动裂纹模型及具约束应力区的运动裂纹模型进行解析求解的基础上,进行了数值计算,分析讨论了裂纹运动速度、材料性质等因素对应力强度因子及裂纹张开位移的影响,对两种模型的数值结果进行了对比和分析。另外,还对裂纹前端应变能密度的分布规律进行了分析讨论。  
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