基于内聚力模型的重组竹Ⅰ-Ⅱ复合型断裂数值模拟

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重组竹是一种我国自主创新研发出的工程竹材,具有原竹利用率高、力学性能优异、耐久性好、尺寸按需定制等优势。重组竹设计规范的缺乏阻碍了其在建筑结构领域的应用和相关产业链的良性发展。因此,对重组竹结构进行标准化既是实际产业需求,也是新型材料在工程结构上应用的创新。重组竹由竹纤维束顺纹组坯而成,在其各竹纤维束层和基质之间的界面通常存在着因制造缺陷和加工误差而产生的微裂纹,这些微裂纹会伴随荷载的作用而扩展,对重组竹的承载能力、耐久性、安全性产生极大的影响。因此,完善对重组竹材力学性能的研究是工程竹材制造工艺和结构设计标准化的基础,特别是实际工程中最常见的重组竹的Ⅰ-Ⅱ复合型断裂。有限单元法在复合材料断裂模拟方面的应用已经相对成熟,可以作为对重组竹的断裂性能的试验研究的补充和优化,既可以避免大量重复试验对人力物力的浪费,也可以通过数值模拟来深入研究重组竹的断裂行为、评估现有理论和模型的准确性。本文通过重组竹 Double Cantilever Beam(DCB)、End Notched Flexure(ENF)和Mixed-Mode Bending(MMB)试件,研究了重组竹Ⅰ-Ⅱ复合型断裂的力学行为。基于试验结果,分别采用CBBM和Williams修正法计算了 Ⅰ型断裂能释放率GⅠ和Ⅱ型断裂能释放率GⅡ,并基于此分别拟合了裂纹扩展准则曲线BK law和Power law;通过Abaqus软件对重组竹三种试件进行模拟,对比了模拟结果中的荷载-位移曲线、R曲线,分析了模拟结果中裂纹界面的应力分布和裂纹前沿形状,确定合适的裂纹扩展准则;通过Abaqus软件研究了重组竹MMB试件的几何因素的影响,对比了不同试件厚度B和初始裂纹长度a0对试件断裂性能的影响,得到了以下结论:(1)通过对比由两种数据归约方案计算结果分别拟合出的两类裂纹扩展准则的模拟结果,可以得出基于William修正法的Power law对重组竹MMB试件断裂性能模拟与试验吻合度最好,对应的 Power law 参数为GⅠc=1446.01J/m2、GⅡc=3246.85J/m2、α=1.14728。(2)MMB试件的裂纹前沿轮廓伴随Ⅰ型和Ⅱ裂纹各自占比的变化而变化,纯Ⅰ型表现为由两侧至中部向裂纹前方逐渐凸出,纯Ⅱ型与纯Ⅰ型相反,表现为由两侧至中部向裂纹内侧逐渐凹陷。与此同时,裂纹前沿的正应力σy、剪应力τxy的分布情况与轮廓线一致,表现为σy中部最高、两侧最低,而τxy中部最高,两侧最低,并且都沿厚度方向关于中部对称分布。(3)当0.4<a0/L<0.7时,随着a0的增长,MMB试件的Ⅰ型断裂能释放率GⅠ、Ⅱ型断裂能释放率GⅡ、总断裂能释放率GT都逐渐趋于一个常数;当a0/L≥0.7时,MMB试件的断裂性能会发生变化,夹具在试件跨中施加竖向Ⅱ型断裂载荷的支座会施加使裂纹闭合的荷载,与此同时夹具在端部施加使裂纹面张开的竖向Ⅰ型断裂荷载会被抵消,并且在跨中夹具的作用下,试件端部裂纹面会闭合。Ⅱ型裂纹始终占据主导地位,Ⅰ型裂纹的影响已经可以忽略。(4)在B=40-120 mm范围内,随着B的增长,MMB试件逐渐由平面应力状态转变为平面应变状态,所对应的Ⅰ型断裂能释放率GⅠ、Ⅱ型断裂能释放率GⅡ、总断裂能释放率GT都逐渐趋于一个常数值。
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