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《使用焦散线法与光弹法测定三维裂纹混合型应力强度因子》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第13卷第1期实验力学Vol.13No.11998年3月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSMar.1998使用焦散线法与光弹法测定三维裂纹混合型应力强度因子吴大方高镇同吴正熙(北京航空航天大学,100083)摘要本文介绍了将焦散线法与应力冻结,“解冻”技术相结合,使焦散线法用于测量三维体内部裂纹前缘应力强度因子的实验方法,并针对复杂应力状态下三维裂纹前缘的不同应变奇异场,合理地综合运用焦散线法与三维光弹法,实际测量与分离了三维裂纹前缘混合型应力强度因子。关键词三维裂纹应力强度因子焦散线
2、法应力冻结光弹法1引言确定表征裂纹尖端应力场奇异性的关键参量应力强度因子,对定量分析含裂纹材料与结构的力学行为十分重要。工程实际中存在的裂纹大都是以非穿透裂纹形式出现的三维体裂纹。其中最常见的有表面裂纹,内埋裂纹和角裂纹。用于三维裂纹问题的复杂性,除少数情况外,很难得到精确解。并且三维裂纹前缘处于结构物的内部,不易使用直接测量方法确定裂纹前缘应力强度因子的分布。此外,处于复杂应力状态下的三维裂纹,其裂尖部的应力强度因子往往以混合型方式出现,这更使得实验测量变得十分困难。[1]Manogg于六十年代提出适合于解决裂
3、纹尖端区域奇异性问题的焦散线法。它对于二[2,3]维应力强度因子的测量十分有效,但焦散线法是一种基于物体表面形变的光力学方法,不能直接用于测量结构物内部的三维裂纹应力强度因子。本文将焦散线法与应力冻结,“解冻”技术相结合,使焦散线法用于测量三维裂纹前缘的应力强度因子,并且利用光弹法和焦散线法各自的优点,对难于处理的三维裂纹混合型应力强度因子进行了实验测定与分离。2试件及实验方法2.1试件的制作实验模型是用环氧树脂圆棒加工成如图1所示的形状,然后用薄片铣刀按与轴线垂直的本文于1997年2月10日收到第1次稿,19
4、97年9月29日收到修改稿2实验力学(1998年)第13卷方向加工出不同深度的圆弧形裂纹。为了得到尖锐的裂尖形状,对预制裂纹的前缘,使用特制的V型工具进行了再加工。将模型冻结切片的裂尖部分放大后进行测量,所得到的裂尖半径均小于0.04mm。表1给出了三种试件的裂纹尺寸,载荷M与材料条纹值f等参数。本实验所使用的环氧树脂试件在应力冻结温度125℃时的材料特性E=13.622MPa,泊松比为0.48。2.2实验方案在对图1所示的模型加扭转载荷的同时进行应力冻结,为了避免试件受到轴向力,加载装[4]置设计成单端固定,另
5、一端为轴向自由端。当圆轴受到纯扭矩作用时,圆弧形裂纹前缘各处受到由图2(a)所示的面内剪应力2引起的滑移型(Ⅱ型)以及面外剪应力1引起的撕开型(Ⅲ型)位移场的联合作用。因此裂纹前缘产生KⅡ及KⅢ混合型应力强度因子,我们按以下方法对这种混合型应力强度因子进行测定和分离。表1模型加载参数Table1DimensionsandloadsofmodelDacRMfNoa/RmmmmmmmmN·mN/mm·fr155.1616.35027.580.592.6680.2484255.0219.15027.510.692.
6、6680.2512355.1422.55027.570.822.6680.2492图1试件与加载简图Fig.1Geometryofspecimenandload首先使用光弹法对应力强度因子KⅡ进行测量,如图3所示沿裂纹径向且与裂纹平面垂直切出厚度约为3mm的光弹切片,使用偏振光垂直照射含有裂纹的光弹切片。由光弹性原理可知与入射光平行的剪应力不会产生等色线条纹,而切片上Z方向[图2(c)]的剪应力平行于光线的入射方向,所以不会出现光弹性条纹。也就是说撕开型(Ⅲ型)应力强度因子KⅢ的光弹条纹将被消隐,从而仅将面内剪应
7、力造成的滑移型(Ⅱ型)应力强度因子KⅡ的光弹条纹单独显现出来,记录下切片裂尖部的等色线条纹,即可计算出该点的应力强度因子KⅡ之值。对于由外面剪应力引起的撕开型应力强度因子KⅢ,使用光弹法不能对其进行较准确的测量。因此我们采用焦散线法与应力“解冻”技术相结合的方法对KⅢ进行测定。模型的冻结切片经过研磨后,其表面已成为平面状态,裂纹尖端的应变奇异性没有显现出来,无法直接使用焦散线法。为了得到应力强度因子KⅢ,我们将抛光后的光弹冻结切片进行退火处理,即实行应力“解冻”,切片上的奇异位移场会在裂纹尖端出现,由于三维体裂纹
8、前缘处于平面应变状态,面内剪应力引起的滑移型(Ⅱ型)位移场不会使切片产生厚度方向上的变化,因而面外剪应力引起的撕开型(Ⅲ型)位移场将单独被还原,于是应力释放后的切片裂尖处仅会出现Ⅲ型形变。使用发散光光路照射裂纹尖端,能够得到Ⅲ型裂纹焦散线图像。通过测量焦散线的尺寸,可以计算出该点的KⅢ之值。这样充分利用焦散线法和光弹法各自的特点和长处,可以方便地对三维裂纹前缘混合型应力强
