博士学位论文答辩公告--航空学院鲁龙坤

2019年05月16日 09:47  

学科专业:固体力学
论文题目:弹塑性材料中裂纹尖端张开角的作用机理研究
答辩人:鲁龙坤
指导老师:王生楠
时  间:2019-05-23  15:00
地  点:航空楼A817
一、学位论文简介
对机翼、机身等薄壁金属结构进行损伤容限分析时,裂纹稳态扩展占据十分重要的地位,裂纹尖端张开角(CTOA)是最适合模拟裂纹稳态扩展的断裂参数。目前为止,CTOA只被看作是一个工程参数,它的作用机理仍不清楚,本文对弹塑性材料中CTOA的作用机理进行了探索。 本文的工作主要分为两部分:CTOA的应用研究与CTOA的机理研究。 对于应用研究部分,本文首先提出了一个裂纹尖端模型,该模型将弹塑性扩展裂纹的张开轮廓等效为相对应的静态裂纹张开轮廓减去塑性尾迹的高度。根据这个模型,本文提出了一种测量临界CTOA的简单方法,该方法仅需要C(T)或M(T)试样的载荷裂纹扩展量曲线。因此,只需要对C(T)或M(T)进行静态拉伸试验即可测得临界CTOA,与ASTM E2472提出的光学方法相比,本文提出的方法更容易测量、结果更加收敛,并且两者的误差不超过5%。此外,本文导出了临界CTOA与K-R曲线的理论关系式。根据该关系式,已有的K-R曲线可以转化为相同材料及试样厚度的临界CTOA值,这将极大地丰富临界CTOA的数据库。该关系式还证明了:对于铝合金材料,临界CTOA随着厚度的增加而降低,但变化趋势并不是线性的,CTOA值的下降趋势随着厚度的增加而逐渐减小。同样根据上述裂纹尖端模型,临界CTOA准则转化为了“临界静态裂纹张开轮廓”准则。临界静态裂纹是指裂纹长度、外载荷与扩展裂纹均相同的静态裂纹。在此基础上,本文运用量纲分析严格证明了:当材料、应力状态给定时,试样的面内几何、加载方式对临界CTOA不产生影响。根据“临界静态裂纹张开轮廓”的思想,本文提出了一个基于临界CTOA估算结构剩余强度的解析方法,该方法仅需要静态裂纹张开轮廓的公式即可获得裂纹的扩展行为。本文分别运用该方法估算了M(T)、C(T)及铆接加筋板的剩余强度,估算值与试验值之间的误差均低于5%。 机理研究部分的核心思想为“裂纹扩展问题就是裂纹面的形成问题”。以上述观点为出发点,本文定义了一个裂纹扩展驱动力参数,该参数与裂纹尖端速度的乘积等于形成新的裂纹面所消耗的功率。为了避免Rice悖论,本文应用断裂过程区代替整个裂纹尖端,此时形成裂纹面消耗的功率转变为断裂过程区消耗的功率。在此基础上,本文导出了CTOA与裂纹扩展驱动力的关系式,该关系式不仅证明了裂纹稳态扩展时临界CTOA为常数而且证明了“隧道效应”是“临界CTOA在裂纹初始扩展阶段不为常数”的一个重要原因。该关系式也说明了临界CTOA的大小取决于材料的微观断裂机理。当试样的厚度足够大或足够小时,试样的应力状态将保持为平面应变或应力状态,材料的微观断裂机理基本不变,临界CTOA也将不随厚度发生变化。 这一部分还提出了“局部参数控制裂纹扩展”的观点,该观点认为:当裂纹在弹塑性材料中扩展时,外力功流入裂纹尖端,尽管大部分能量用于塑性变形的消耗,裂纹是否扩展完全取决于流入裂纹的能量是否足以形成新的裂纹面,能够表征上述过程的参数就是局部参数。本文严格证明了裂纹扩展驱动力参数是一个局部参数,该参数等于施加在裂纹尖端上的构型力在裂纹扩展方向的投影。此外,本文还证明了常见的弹塑性断裂参数均等价于上述驱动力参数,根据CTOA与驱动力参数的关系式,CTOA与这些弹塑性断裂参数相互联系,因此临界CTOA可以表征扩展裂纹尖端场。根据断裂过程区消耗的能量,本文导出了临界CTOA与内聚力模型的理论关系式。为了证明该关系式,本文提出了一个等效内聚区模型,该模型的基本思路为:任给一个内聚区模型,均存在着一个等效内聚区,等效内聚区与内聚区的消耗功率相等、本构关系完全相同,但是等效内聚区上的位移及位移变化率分布均是线性的,因此等效内聚区的长度与内聚区的长度不同。根据上述模型,CTOA与内聚力模型的理论关系式得到了简化,本文分别应用三组数据对简化公式进行了验证,理论公式导出的临界CTOA与试验值的最大误差仅为7.2%。  
二、攻读博士学位期间以第一作者发表与学位论文相关的学术论文:
[1]  Lu, Longkun,Wang, Shengnan. New insight on physical meaning of fracture criteria for growing cracks。INTERNATIONAL JOURNAL OF SOLIDS AND STRUCTURES,2018, JCR分区,WOS:000441682700012  
[2]  Lu, Longkun,Wang, Shengnan. An analytical method to predict residual strength based on critical CTOA。ENGINEERING FRACTURE MECHANICS,2018, JCR分区;SCI(E);WOS:000444000400003  
[3]  Lu, Longkun,Wang, Shengnan。Relationship between crack growth resistance curves and critical CTOA。ENGINEERING FRACTURE MECHANICS,2017, EI;JCR分区,20170603326859;WOS:000397365200011  
[4]  Lu, Longkun,Wang, Shengnan,Song, Enpeng,Wang, Zhao。基于准静态拉伸试验的临界CTOA测量。北京航空航天大学学报,2016/42/9。EI;中国科技核心期刊;中文核心期刊要目总览,20164102899099;
[5]  Lu, Longkun,Wang, Shengnan,Li, Gang,Zhou, Junjie。基于启裂载荷的临界裂纹尖端张开角确定。西北工业大学学报,2017/35/1。EI,20171303492531  
[6]  Lu, Longkun,Wang, Shengnan。A simple model to explain transferability of crack tip opening angle。ENGINEERING FRACTURE MECHANICS,2018/193/1。EI;JCR分区;SCI(E);中科院分区,20181004852028;WOS:000427918000014


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