复杂环境下结构三维破坏理论及其应用研究

国家自然科学基金委员会工程与材料科学部复杂环境下结构三维破坏理论及其应用研究郭万林西安交通大学机械结构强度与振动国家实验室批准号：59625510期限:1997.01-1999.12金额:60万材料和结构中的缺陷、缺口和裂纹是结构破坏的重要原因。它们在复杂应力状态、复杂载荷、环境作用下的力学描述和破坏预测具有极其重要的理论和工程意义。本项目从力学理论、三维弹塑性数值分析、试验测试三方面对这一问题进行了深入研究并取得重要进展：对裂端三维约束进行了理论分析，建立了三维断裂和疲劳裂纹扩展参数体系，基于三维约束理论提出一组弹塑性三维断裂准则和相应的三维断裂韧性参数。进行大量断裂实验验证，表明所提出的三维断裂韧性参数与试样厚度和几何无关。提出了一般三维裂纹体疲劳断裂评定的“等效厚度”概念并与澳大利亚Monash大学共同进行了实验验证，为使用实验室典型标准试样所获实验数据预测实际复杂三维结构的破坏提供了有效途径。利用三维条带模型和复变函数理论分析发现塑性引起的疲劳裂纹闭合受一个组合约束因子控制，获得了不同应力状态下的疲劳裂纹闭合理论解。通过与澳大利亚国防科技组织合作，利用所得三维理论成果发展美国NASA多年来研制的FASTRAN寿命预测软件，使其不再依赖经验约束因子，从而实现了仅依据单一常幅裂纹扩展曲线对复杂谱载下三维裂纹扩展的预测。经国内外变幅谱、随机谱下不同材料、不同厚度试样的上百组试验和分析证明，新的寿命预测模型与已有的国内外模型相比不仅对试验的依赖性大为降低，而且预测最稳定。对三维弹塑性缺口场这一学科前沿难题的研究取得重要成果，提出了用线弹性解预测弹塑性缺口场的应变等效法。其适用性、精确性和稳定性都明显优于著名的Neuber法和等效应变能密度法，更为重要的是应变等效法在三维缺口场中仍具有高的精度，发展了缺口问题的弹塑性理论。获得了三维缺口和三维裂纹端部三维应力状态的统一描述；提出了从缺口型低应力三维度试样到裂纹型高应力三维度试样韧性断裂的更普遍描述。对缺口损伤和裂纹扩展的统一描述具有重要意义，为疲劳全寿命预测奠定了力学基础。成果已用于大型天然气管道安全评定，并将用于建立系统安全保障体系。已发表和接受发表论文29篇。此外，在国家重点实验室的发展建设中作出突出成绩并受肯定。1999年被评为“长江学者计划”特聘教授。1.国际合作与学术交流：1997年4月至1998年4月应邀在澳大利亚国防科技组织结构分析专家中心工作，结合F-111飞机的实际问题进行弹塑性缺口问题和谱载疲劳寿命预测问题研究，并且与澳科学院有关研究所、莫纳什大学、新南威尔士大学进行了学术交流和研讨。所主持的课题经费为该专家中心经费的60%多，研究结果在澳国防科研工作会报告并引起极大关注，研究成果收入澳大利亚国防科技组织报告。其间于1997年12月至1998年元月回校进行有关课题安排和总结。1998年9月参加西安召开的强度理论国际学术会并任组委和分会主席。1998年10月参加亚特兰大国际计算科学与工程学术会并顺访一些大学。1999年6月参加四年一度的国际疲劳学术盛会（北京）并任分会主席。在国内外学术讲座二十多次；接待国外学者来室顺访讲学四次。2.人才培养培养硕士研究生2名，博士研究生4名（在读3名），指导博士后两名。3.5篇具代表性的论文或成果目录1)“机械结构三维破坏理论研究”98年国家教育部科技进步三等奖（第一名）2)“三维疲劳断裂理论及应用”99年陕西省教委科技进步一等奖（第一名）3)GuoWanlin,WangChun-HuiandRoseFrancis(1999)Theinfluenceofcross-sectionalthicknessonfatiguecrackgrowth,FatigueFract.EngngMater.Struct.22:437-444.4)ChangT.andGuoWanlin(1999),Effectofstrainhardeningonfatiguecrackclosure,Int.J.Fatigue,21:881-888(当期卷首)5)GuoWanlin,RoseFrancisandWangChun-hui(1998)ElastoplasticAnalysisofNotch-TipStress-StrainFieldsinStrainHardeningMaterials,DSTO-RR-0137(Australia)，PartinASMEJ.EngngMater.Tech.121:(3)313-320.