基于裂纹面能量释放率的断裂理论发展及应用研究

In many major projects， it is necessary to have accurate fracture criteria for the safety assessment of cracked parts. When plastic unloading occurs, the widely used J-integral is no more applicable theoretically and a reasonable and widely acceptable fracture criterion for crack propagation in elastic-plastic materials still lacks. In our previous study, we extracted the energy (or power) available for separating the crack surfaces during propagation based on the analysis on power balance, and named it as the surface-forming energy release rate (ERR) . The corresponding fracture criterion has a wide applicability. Just as J-integral, which had experienced several years since its introduction to application to engineering, the surface-forming ERR based criterion would also face several challenges. Therefore, we will further deepen it application in this project, and the mainly concerned are how to compute the surface-forming ERR, how to measure the critical value of the surface-forming ERR for a material via experiments, and whether it can be expended to the condition when multi fields exit (such electric and mechanic). The implementation of this project will be an important step for solving elastic-plastic fracture in engineering.

在很多重大工程中，对含裂纹构件进行安全评定需要准确的断裂准则。现在被广泛使用的J积分在塑性卸载发生时理论上不再适用，目前缺乏广为接受的适用于弹塑性裂纹扩展阶段的断裂准则。申请人基于裂纹扩展过程中的功率平衡定义了裂纹面能量释放率，相应断裂准则适用范围广泛。正如J积分从被提出到应用于工程经历了若干年，该准则在应用于实际时也会面临若干挑战。因此在本项目中，我们将该准则进一步发展应用，主要围绕如何在模拟中计算裂纹面能量释放率，如何利用实验测量材料的裂纹面能量释放率及其临界值以及是否能够拓展到多场（力、电）的情况下这三方面开展工作。本项目的实施将会对解决工程实际中的弹塑性断裂问题起到重要作用。

在工程领域中采取有效的手段和措施避免断裂破坏引起的灾难性事故是工程师们要考虑的重要问题。发展正确的弹塑性断裂准则尤为重要，传统弹塑性断裂理论的建立发展过程中仍存在若干难点问题，弹塑性裂纹扩展准则就是其中之一。.本人在前期的研究工作中，从能量平衡的角度出发，发展了一种适用范围更广的弹塑性准则——基于裂纹面能量释放率的断裂准则，来指导弹塑性材料中裂纹损伤容限问题。这一理论得到了国内外学者的认可，相关研究工作也已经发表。正如J积分从理论提出到工程应用经历了很长的时间，本人所提出的这一断裂准则也要发展相应的计算方法和实验测试手段才能指导工程实际，因此本项目是进一步将基于裂纹面能量释放率的断裂理论进行发展应用。.重要的研究结果包括：在计算方面，发展了一套弹塑性裂纹扩展过程中裂纹面能量释放率的计算模拟方法；在实验方面，利用紧凑拉伸试件完成了相关实验测试，结合DIC获得弹塑性裂纹扩展过程中的全场应变，利用机器学习的方法获得全场应力，从而计算出裂纹面能量释放率；发展了一套利用机器学习计算全场应力的方法，可以解决目前实验中无法获得弹塑性材料应力场的问题。.该项目进一步验证了基于裂纹面能量释放率的断裂准则的正确性。然而，研究结果表明相对于塑性耗散能，用于生成裂纹面的能量数值非常小，与前者相差三个数量级（针对我们的测试试件）。传统的基于J积分的断裂准则以外界输入的能量是否大于塑性耗散能以及表面能之和作为裂纹能否扩展的判断标准，而塑性耗散能是随着裂纹扩展的不断变化的，J积分也由于裂纹的扩展失去了物理意义。我们的出发点就是提出一个不随裂纹扩展而变化的物理量作为判断标准，也就是仅用于裂纹张开的能量。经过本项目的研究，我们发现这个数值非常小，相对于塑性耗散几乎可以忽略不计。因此基于裂纹面能量释放率的裂纹扩展准则在实际应用时可能会由于误差的存在导致错误。本人后续会从其它角度继续探究弹塑性裂纹扩展准则问题。