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动态断裂试样受力状态及其对J积分影响的研究

作　者: 果春焕
导　师: 刘瑞堂
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 材料学
关键词: Hopkinson杆脱离现象 Timoshenko梁理论有限元法 J积分
分类号: TB302.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

近年来,利用改进的Hopkinson杆测试系统开展较高加载速率条件下的动态断裂研究,日益受到人们的关注。一般认为动态断裂试验中,试样为三点弯曲受载形式,材料动态应力强度因子分析则以静态三点弯曲受力状态为基础。但须知,在静态断裂试验中,试样的响应与加载速率同步,试样始终与支座保持接触,处于三点弯曲状态。而动态断裂试验中,由于加载速率较高,试样经常存在脱离支座的现象,导致试样不是传统的三点弯曲受力状态。目前研究者们对试样脱离支座的现象与规律,尚没有一致的认识。本文对该问题进行了比较系统的研究,取得了如下主要研究成果。1)采用现行三点弯曲试验方法给出的Charpy冲击试样尺寸及相应的跨距,在Hopkinson杆加载系统上进行的三点弯曲试验中,该试样确实存在脱离支座的现象；并运用Timoshenko梁模型理论分析了Charpy冲击试样的受力过程,结果也表明,试样存在脱离支座的现象。2)通过理论计算试样名义支撑点处的位移时间曲线表明,试样脱离支座的位移幅值随跨距的减小而减小,直至跨距小于某一极值后,试样与支座间才保持稳定的接触,即处于三点弯曲状态。并得到试样与支座之间保持接触状态的名义支撑点极限位置与试样裂纹比(α/W成线性关系,以此为基础导出了实现真实三点弯曲状态的理论条件S/L≤0.72由此可见,对于标准的Charpy冲击试样,当其跨距小于0.72L时,试样在受载过程中保持与支座的接触状态；否则,存在脱离支座的现象。3)分别从冲击速度、跨距、试样长度和宽度方面研究了试样与支座接触状态的规律,发现在Hopkinson杆装置允许的冲击速度范围内,冲击速度对接触状态的影响不明显；跨距、试样长度和宽度对接触状态有影响且趋势是相同的,即随着跨距的减小和试样几何尺寸的增大,试样脱离支座的时间逐渐减小,当跨距和试样几何尺寸达到某一定(特征)值后,脱离时间稳定在一定水平上(最小),即进入接触状态,提出了由脱离过渡到接触的临界状态概念,并且得出了临界状态的判据。在此基础上,提出了表征试样与支座保持接触状态的结构因素判据S/W=1.17+0.45L/W该判据可用来对各种不同试样尺寸和跨距组合条件下的接触状态进行科学的判断。4)用ANSYS软件模拟了在Hopkinson杆装置上的三点弯曲试验过程,验证了试验中得出的试样脱离支座的规律,计算了脱离和接触两种状态下的动态J积分,得出了试样受力状态对J积分有明显的影响。并分析了跨距为80mm下Charpy冲击试样对应的有限元计算结果与弹簧-质量模型计算的结果,取动载条件下结构钢裂纹起裂时刻的J积分进行对比,发现两种计算方法得到的J积分存在约20%的误差。对于存在脱离现象的试样,其应力强度因子若按照三点弯曲状态分析,得到的结果存在较大误差。从而说明对于动态断裂试验,在计算应力强度因子时,应考虑试样在受载过程中的真实受力状态。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-31
  1.1 引言  13-14
  1.2 动态三点弯曲试样受力状态的研究现状  14-18
    1.2.1 试样与支座保持接触状态的研究现状  14-15
    1.2.2 试样与支座之间有脱离现象的研究现状  15-17
    1.2.3 试样与支座在冲击过程中保持接触状态的临界条件  17-18
  1.3 动态应力强度因子的研究  18-29
    1.3.1 线弹性动态断裂问题  19-28
    1.3.2 弹塑性动态断裂问题  28-29
  1.4 本文的研究工作  29-31
第2章试验方法  31-35
  2.1 引言  31
  2.2 试验设备及其原理  31-34
    2.2.1 试验设备  31-33
    2.2.2 测试原理  33-34
  2.3 本章小结  34-35
第3章 Charpy冲击试样受力状态的分析  35-52
  3.1 引言  35
  3.2 材料、试样和试验方法  35-36
  3.3 试验结果及分析  36-40
    3.3.1 试验结果  36-38
    3.3.2 动态断裂试验与单点弯曲试验载荷方面的比较  38-40
  3.4 试样受力过程分析  40-48
    3.4.1 单点Timoshenko梁模型  40-42
    3.4.2 名义支撑点的位移时间曲线的计算和分析  42-46
    3.4.3 脱离现象对试样挠度曲线的影响  46-48
  3.5 保持三点弯曲状态的条件  48-51
  3.6 本章小结  51-52
第4章试样受力状态的影响因素及规律  52-81
  4.1 引言  52
  4.2 材料、试样以及试验方法  52-53
  4.3 应力波传播的分析及脱离时间的计算方法  53-55
    4.3.1 应力波传播的分析  53-54
    4.3.2 脱离时间的计算方法  54-55
  4.4 冲击速度对试样受力状态的影响  55-57
  4.5 跨距和试样几何尺寸对受力状态的影响  57-64
    4.5.1 跨距的影响  57-60
    4.5.2 试样长度的影响  60-62
    4.5.3 试样宽度的影响  62-64
  4.6 脱离规律的研究及讨论  64-79
    4.6.1 试样长度对试样与支座脱离规律的影响  65-67
    4.6.2 试样宽度对试样与支座脱离规律的影响  67-70
    4.6.3 试样几何尺寸对脱离现象影响程度的对比分析  70-73
    4.6.4 试样接触状态的结构因素判据  73-79
  4.7 本章小结  79-81
第5章试样的受力状态对动态J积分的影响  81-90
  5.1 引言  81
  5.2 有限元法的原理及模型的建立  81-84
    5.2.1 J积分计算原理  81-83
    5.2.2 有限元模型的建立  83-84
  5.3 有限元计算结果及分析  84-89
    5.3.1 跨距对支撑点处的位移时间曲线的影响  85-86
    5.3.2 J积分路径无关性证明  86-87
    5.3.3 试样受力状态对动态J积分的影响  87-89
  5.4 本章小结  89-90
结论  90-92
参考文献  92-104
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  104-105
致谢  105

动态断裂试样受力状态及其对J积分影响的研究

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