平面结构非均质界面断裂演化规律探究

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复合材料结构经常发生界面破裂而导致结构失效的问题。因此,研究复合材料结构的界面断裂特性及其演化规律,对于防止复合材料结构失效具有重要的意义。本文以深梁结构为研究对象,建立了双悬臂梁-非均质界面模型,研究界面在外荷载作用下的非均匀断裂演化规律。为反映界面的非均质特性,引入随机场来描述界面的强度阈值、老化和流变特性。提出了非均质界面的微观单元模型,基于弹性力学基本解和边界元法,建立了双悬臂梁-非均质界面的断裂演化控制方程。将边界离散后,该控制方程进一步化为线性方程组,可利用高斯消去法并通过MATLAB软件进行求解,得出界面非均匀断裂过程中的结构位移变化特性、界面破裂前缘发展特性、声发射事件及其统计规律。非均质弹脆性界面受到外荷载作用时,界面破裂演化分为起裂、稳态扩展和断裂破坏三个阶段。加载初始,由于界面的非均质性,多处单元出现破裂。随着荷载的增加,界面开口位移增大,单元破裂至贯通裂缝,最终由于裂缝的扩展导致结构整体破坏。破裂过程中,声发射事件的统计规律符合Gutenberg-Richter(GR)幂律分布,但幂律指数的大小会随各种参数的变化而改变。在非均质弹脆性界面破坏过程中,结构弹性体与薄弱层弹性模量比值变大,界面强度标准差增大,界面强度随机场相关距离增大时,界面幂律指数增大。界面由于老化而导致的断裂过程中,随着长短期强度比κ的增加,界面非均匀性增大,幂律指数增加。强度衰减速率α的改变对幂律指数影响较小。在临界荷载作用下,界面由于流变而导致的断裂过程可分为:初始加速阶段、平稳阶段和大规模破坏阶段。断裂过程中,界面结构的寿命在临界荷载处呈现为幂律分布,且幂律指数的变化受各种参数影响。结构弹性体与薄弱层弹性模量比值增大,幂律指数增加。薄弱层随机场标准差增大或相关距离增大,单元应变阈值随机场分布的非均匀性增强,幂律指数增加。
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