理論與應(yīng)用斷裂力學(xué)

石桂帥

1、案例分析

在問題的物理背景上，引入了能夠描述從微觀到宏觀的材料破壞過程的約束應(yīng)力區(qū)，從而建立了宏觀/微觀雙尺度邊緣裂縫模型。 宏觀/微觀雙尺度應(yīng)變能密度因子的表達(dá)式得到的，作為疲勞裂紋擴(kuò)展的控制量。系統(tǒng)地開發(fā)了用于疲勞裂紋擴(kuò)展的多尺度配方。 這是對這項(xiàng)工作中疲勞問題基本理論的主要貢獻(xiàn)。 在所提出的方法中存在三個(gè)基本參數(shù)l *，r *和d *。 他們可以考慮幾何和材料屬性中的微觀和宏觀因素。注意，l *，r*和d*分別代表微觀剪切模量與宏觀剪切模量之比，約束應(yīng)力與施加應(yīng)力的比率以及裂紋尖端之前的微孔尺寸與材料微觀結(jié)構(gòu)的特征長度之比。

為了說明所提出的多尺度方法，選擇杭州江東大橋進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。這座橋位于中國浙江省省會杭州。它是錢塘江上的一座自錨式懸索橋。電纜由109根平行鋼絲制成直徑7毫米。在有和沒有交通負(fù)荷的服務(wù)期內(nèi)，通過有限元法計(jì)算索力。引入兩個(gè)參數(shù)a和b以解決電纜以兩種不同方式的額外緊固和松動效應(yīng)。確定疲勞裂紋擴(kuò)展速率系數(shù)C0從疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看。從數(shù)值結(jié)果可以得出結(jié)論，初始微觀缺陷的大小是鋼絲疲勞壽命的主導(dǎo)因素。通常，電纜的緊固效果會降低疲勞壽命，而松動效應(yīng)會阻礙疲勞裂紋的生長。但是，結(jié)果可以在某些特定條件下反轉(zhuǎn)。而且，不同三個(gè)基本參數(shù)l *，r *和d *的演化模式實(shí)際上對鋼絲的疲勞裂紋擴(kuò)展行為有不同的影響。最后，在這項(xiàng)工作中開發(fā)的方法可以適用于所有裂紋引起的多晶材料的失效問題，不僅是疲勞，還有蠕變斷裂和在靜態(tài)和動態(tài)負(fù)載下開裂等。

2、理論及試驗(yàn)分析

懸索橋和斜拉橋在現(xiàn)代大跨度橋梁中占主導(dǎo)地位，因?yàn)樗鼈兛梢韵鄬^長的主跨。懸索橋中的纜索受到載荷（包括靜載荷和交通載荷）的影響，并將其轉(zhuǎn)移到塔架和錨桿中。橋梁電纜由高強(qiáng)度鋼絲制成。在最近幾年電纜線的強(qiáng)度顯著增加。最小強(qiáng)度范圍在1470MPa和1570MPa之間波動超過50年。

懸架或斜拉橋的極限壽命主要取決于電纜的老化不同長度的電纜承受不同的應(yīng)力和應(yīng)變，它們的最終壽命不僅會有所不同，而且由于環(huán)境的變化它們會有不同的變化。已經(jīng)進(jìn)行了一些基于實(shí)驗(yàn)的研究。對Monte Carlo模擬進(jìn)行了研究，以顯示短預(yù)應(yīng)力鋼絞線試樣和鋼絞線電纜的疲勞壽命之間的關(guān)系。通過使用從預(yù)應(yīng)力鋼絞線試樣的疲勞試驗(yàn)結(jié)果確定的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來計(jì)算電纜壽命。基于一些疲勞試驗(yàn)開發(fā)了一種模型，用于預(yù)測軸向預(yù)載螺旋的自由彎曲疲勞壽命。

絞線夾在最后。討論了位于強(qiáng)風(fēng)區(qū)的鋼梁的抖振引起的疲勞損傷問題。最近在中國已經(jīng)完成了一些橋梁電纜疲勞試驗(yàn)，疲勞極限和疲勞壽命預(yù)測的問題很高研究了強(qiáng)度冷拔共析鋼絲。探討了應(yīng)力腐蝕和氫脆引起的橋梁電纜線的退化問題。討論了橋梁電纜線裂縫電位的評估方法。研究了鎖定線圈電纜中的導(dǎo)線斷裂。

然而，疲勞問題仍然是挑戰(zhàn)，盡管這是一個(gè)老問題。總之，疲勞過程通常以任意方式分為兩個(gè)階段。第一階段稱為疲勞裂紋萌生，而第二階段稱為疲勞裂紋擴(kuò)展。不同的方法分別應(yīng)用于兩個(gè)不同的時(shí)期。對于疲勞裂紋萌生期，經(jīng)常使用Miner的疲勞累積損傷理論，包括各種改進(jìn)版本。 Miner的理論是一種經(jīng)驗(yàn)方法，它在很大程度上取決于疲勞實(shí)驗(yàn)。對于疲勞裂紋擴(kuò)展周期，巴黎方程通常采用，其基于疲勞試驗(yàn)給出疲勞裂紋擴(kuò)展速率da / dN與裂紋強(qiáng)度因子范圍DK之間的關(guān)系。

面結(jié)晶聚合物約束單滑模型的背景。將準(zhǔn)連續(xù)介質(zhì)（QC）方法與連續(xù)介質(zhì)缺陷模型相結(jié)合，建立了固體缺陷的耦合原子/連續(xù)模型。微裂紋對疲勞裂紋擴(kuò)展力學(xué)的影響在等溫淬火的球墨鑄鐵中，考慮了微觀結(jié)構(gòu)。混合模式（模式I + II），Ti-6Al-4V合金的高周疲勞閾值在幾十微米到超過幾十微米的裂縫尺寸范圍內(nèi)的影響。研究了幾毫米。顯示脆性材料的微裂紋導(dǎo)致應(yīng)力強(qiáng)度因子（SIF）和能量釋放速率的降低。采用三維有限元模擬方法研究了7075-T651鋁合金微觀結(jié)構(gòu)小疲勞裂紋的生長情況。一個(gè)基于單調(diào)塑性區(qū)和裂紋的環(huán)狀塑性區(qū)在微觀結(jié)構(gòu)障礙物（如晶界和相界）中的連續(xù)阻塞，提出了小疲勞裂紋擴(kuò)展的微觀力學(xué)描述。

但是，省略了一些重要的影響，這些影響對未來的調(diào)查仍然有用。例如，受損區(qū)域中的約束應(yīng)力分布應(yīng)該是不均勻的而不是均勻的。進(jìn)一步的研究應(yīng)該考慮這種影響。此外，材料老化和應(yīng)力腐蝕也會降低壽命電纜和疲勞。如何影響材料老化，應(yīng)力腐蝕和疲勞及其相互作用的影響將是一個(gè)挑戰(zhàn)問題。包括電纜力在內(nèi)的所有材料參數(shù)都是時(shí)間相關(guān)的。第一次嘗試是通過將所有材料參數(shù)視為時(shí)間t的函數(shù)來完成的。困難在于如何確定這些功能。必須在微觀和宏觀尺度上仔細(xì)進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)觀察。這是將來應(yīng)該解決的另一個(gè)問題。另外，已經(jīng)討論了將碳纖維電纜應(yīng)用于大跨度橋梁的可能性等。碳纖維電纜耐腐蝕，重量輕，強(qiáng)度高于鋼絲。疲勞特性與鋼絲繩有很大不同。