线弹性、弹塑性、和界面断裂力学判据中存在的问题的研究

The criterion of crack propagation is the basic theory of fracture mechanics. There are still some problems unsolved. Such as：1, the prediction of crack angle in mixed mode， 2, the comparison of COD criterion and J criterion in elasto-plastic fracture mechanics， 3, the uncertainty of phase angle in interface fracture mechanics，4, the problems of the oscillatory singularity and crack/contact interference near the interface cracks. That means the theory of fracture mechanics has to be further studied. The conditions of these problems are different, but all of them are tied with stress singularity. The works of this project will be started with the singular stress fields near the crack tips, find out the causes of the problems, search the approaches for the solutions, and solve the problems by analytical, numerical and experimental analysis. The aim of the project is to increase the understanding to the stress singularity, and to improve the criteria in fracture mechanics.

裂纹扩展判据是断裂力学的基本理论，已在工程中广泛应用。但是在线弹性，弹塑性，和界面断裂力学的判据中，尚有一些问题没有研究清楚。例如：1. 线弹性断裂力学混合型判据的裂纹扩展方向预测问题，2.弹塑性断裂力学中的COD判据和J积分判据并存问题，3. 界面断裂力学判据中的混合度 不确定问题，4. 界面裂纹尖端奇异应力场的震荡现象和裂纹面相互嵌入问题等。说明断裂力学的基本理论尚有需要完善之处。这些问题情况各异，却都与应力奇异性有关。本项目从应力奇异性的奇异应力场入手，找出存在这些问题的根源，寻找解决问题的途径，综合运用解析，数值和实验研究，逐个探求问题的答案。研究的目标是在对应力奇异性增进了解的基础上，使断裂力学判据得到改进。

本项目的内容是：线弹性、弹塑性、和界面断裂力学判据中存在的问题的研究。目前已取得的重要结果有：把界面断裂力学的G判据，改进成为K判据。对界面裂纹端的裂纹面嵌入问题提出了全新的解释。将常规有限元法发展为多尺度有限元法，提高了应力强度因子的计算精度。将线弹性多尺度有限元法扩展为弹塑性多尺度有限元法。对裂纹端的弹塑性应力场，实现了按塑性流动理论，考虑材料非线性和几何非线性，得到了较为精准的数值分析结果。发现304不锈钢紧凑拉伸试件断裂前，弹塑性裂纹端不存在应力奇异性。为进一步研究和改进弹塑性断裂判据提供方法和方向。本项目的科学意义是弹塑性多尺度有限元法是研究弹塑性断裂力学判据的可靠的数值分析方法，使得弹塑性断裂判据的得以改进并建立在坚实基础上。