材料結(jié)構(gòu)宏觀三維斷裂和微觀破壞行為研究.pdf

1、材料和結(jié)構(gòu)的破壞是空天飛行器、重大機械裝備等設(shè)計中的重要問題。復(fù)雜應(yīng)力作用下，宏觀復(fù)雜結(jié)構(gòu)表面加工質(zhì)量和材料本身固有缺陷以及外來損傷等會引起三維裂紋的萌生、擴展，最終導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞，而傳統(tǒng)二維裂紋理論在解決實際三維裂紋問題時出現(xiàn)不足，無法完全保障結(jié)構(gòu)安全。三維應(yīng)力約束對精確預(yù)測結(jié)構(gòu)破壞不可缺少，因此，本文采用三維有限元等方法基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、概率論等理論，對典型三維裂紋尤其是非穿透裂紋系統(tǒng)深入地開展了三維應(yīng)力約束理論計算、三維裂紋端部

2、應(yīng)力場描述以及結(jié)構(gòu)三維損傷容限設(shè)計的研究。 由于結(jié)構(gòu)可能處于高壓等極端惡劣的服役環(huán)境中，對其材料性能的要求甚至達到微觀尺度，故納米碳材料在先進復(fù)合材料強韌化中應(yīng)用廣泛。碳結(jié)構(gòu)豐富多彩使得探索其新鮮相成為了人們關(guān)注的熱點。高壓是產(chǎn)生新現(xiàn)象、合成新物質(zhì)相的重要條件和手段，因此，本文利用分子動力學(xué)結(jié)合量子力學(xué)和有限元等方法研究了納米石墨、碳納米管和金剛石在超高壓下的物理力學(xué)行為。 全文主要研究內(nèi)容和學(xué)術(shù)貢獻如下： 1.

3、針對一般三維裂紋端部場應(yīng)力約束準(zhǔn)確解析的困難，對均勻拉伸載荷作用下各向同性彈性板中穿透厚度中心直裂紋、半橢圓表面裂紋和1/4橢圓角裂紋進行了大量詳細的全場應(yīng)力三維有限元分析，首次全面分析了非穿透裂紋端部場三維影響區(qū)范圍，給出了不同形狀三維裂紋前沿離面應(yīng)力約束因子Tz的數(shù)值解，并結(jié)合K場平面解給出了非穿透裂紋端部應(yīng)力場K-Tz雙參數(shù)描述。 2.針對三維非穿透裂紋前沿應(yīng)力約束定量描述的困難以及三維損傷容限設(shè)計中的重點問題，基于三維裂

4、端場Tz的數(shù)值解，提出用裂紋前沿線法平面內(nèi)Tz描述三維裂紋前沿離面應(yīng)力約束效應(yīng)變化，用離面應(yīng)力約束等效方法研究了半橢圓表面裂紋擴展形狀及壽命，給出了裂紋擴展分析方法；給出了考慮離面應(yīng)力約束反映厚度效應(yīng)的I型三維裂紋斷裂準(zhǔn)則；總結(jié)給出了我國航空結(jié)構(gòu)常規(guī)無損檢測裂紋檢出概率曲線寶貴數(shù)據(jù)；給出了局部均勻腐蝕損傷檢測概率分析方法。 3.針對納米碳材料在先進復(fù)合材料中的巨大潛在應(yīng)用及對碳新鮮相的普遍關(guān)注，對納米石墨和層疊碳納米管在高壓下層