【摘 要】
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目前,对于脆性材料中裂纹扩展的研究主要集中在准静态下的裂纹扩展。冲击波动态拉伸下裂纹扩展的机理仍存在争议。目前文献上用于模拟裂纹扩展的模型主要是二维模型,其不能充分揭示岩石等脆性材料三维特征,难以对这类材料的断裂表面进行分析。因此,本文建立适合表现脆性材料损伤与破碎的三维格点-弹簧模型以模拟冲击波动态拉伸下脆性材料裂纹的扩展与分叉,这具有重要意义。(1)本文建立了有限元与格点-弹簧共用的六面体基底
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目前,对于脆性材料中裂纹扩展的研究主要集中在准静态下的裂纹扩展。冲击波动态拉伸下裂纹扩展的机理仍存在争议。目前文献上用于模拟裂纹扩展的模型主要是二维模型,其不能充分揭示岩石等脆性材料三维特征,难以对这类材料的断裂表面进行分析。因此,本文建立适合表现脆性材料损伤与破碎的三维格点-弹簧模型以模拟冲击波动态拉伸下脆性材料裂纹的扩展与分叉,这具有重要意义。(1)本文建立了有限元与格点-弹簧共用的六面体基底网格。通过Gusev提出的参数映射法将有限元总体刚度矩阵映射为格点-弹簧模型中法向和切向弹簧的刚度系数,有限元中的节点即为格点-弹簧中的格点(颗粒)。(2)将两种脆性材料的参数输入到模型中,通过对致密样品施加准静态下的拉伸与压缩作用验证其弹性模量,计算结果表明误差在0.01%左右;通过活塞对样品的冲击和抖动分别验证纵波和横波的波速,误差均在1.5%以内;建立了含预制半无限裂纹和椭球洞模型,分别施加单轴拉伸和远场三轴压缩载荷,提取裂纹尖端和椭球洞周围应力分布等高线,验证了应力集中现象。(3)通过含预制半无限裂纹模型来研究冲击波动态载荷下的裂纹扩展,模拟结果表明裂纹起裂之前有一段“孕育”时间,起裂后并不会直接发生分叉,而是存在一段时间的沿直线的单裂纹扩展,随后会发生分叉前的破碎阶段(扩展形貌变得粗糙),之后裂纹才会演化为两个几乎对称的分叉裂纹。(4)裂纹扩展过程中裂纹尖端应力集中区域发生了变化,起裂前呈现出“蝶翼状”,起裂后呈现出“掠翼状”;裂纹起裂后裂纹尖端速度瞬间起跳而后持续增加,对应着单裂纹的扩展;随后发生轻微的降低而后增加到裂纹扩展的最大速度,对应着分叉前的破碎阶段;之后裂纹扩展速度会发生显著的振荡现象,对应着裂纹的分叉阶段。分别施加不同载荷探究了裂纹扩展过程中裂纹形貌、最大拉应力和裂纹扩展速度之间的关系。
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