层状材料间隔破裂过程及机理研究

• 作 者: 朱旭
• 出 处: 大连理工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 层状材料 不同几何表面 间隔破裂 表面裂纹 应力转化

间隔破裂作为自然界及工程材料中一种常见的破裂现象,在层状材料中主要表现为平行的二维等间距裂纹和网状的三维等空间裂纹。其普遍存在于不同材料、不同尺度、不同几何形状的层状结构中,涉及领域广泛,所表现的裂纹形态虽存在一定的差异,但却具有明显的共性规律。在岩土工程等领域,无论是层间裂纹还是表面裂纹,都会在一定程度上影响着工程的结构安全及使用周期,构成一定的安全隐患。故这一具有规律性的材料破坏问题受到了科学家及学者们的广泛关注,由于间隔破裂现象的形成因素非常复杂,目前对其形成规律及力学机理的认识仍存在局限性。本文主要围绕层状材料中的间隔破裂现象展开,采用数值试验研究方法,基于有限元程序真实破裂过程分析系统(RFPA),对不同几何表面间隔破裂的演化过程及形成机制进行探讨。三维数值模拟结果展示了准静态加载下不同几何表面层状材料间隔破裂从裂纹萌生到饱和的全过程;结合量化统计研究了破裂层厚度、平面尺度、表面曲率等因素的变化对裂纹形态及间距的影响;从应力转化的角度对平面、圆柱曲面裂纹演化到饱和的过程进行分析,揭示了间隔破裂裂纹的发生发展规律。本文主要研究结果如下:(1)数值模拟再现了平面、圆柱面和球面等三种不同几何表面间隔破裂的完整渐进破坏过程,准静态加载作用下的三种不同几何表面间隔破裂的演化过程遵循相同的规律,始于强度较弱的区域破坏,终于破裂层与基层层面分离。平面、圆柱面裂纹形态均可由不同方向应变比控制,而球面只能形成网状破裂。(2)通过程序对表面单元的重新编排,实现了三维圆柱面向二维平面的转化。结合量化统计方法对表面饱和裂纹网络的分析,裂纹密度随破裂层厚度增大而减小,影响效果显著;裂纹密度随表面曲率增大而增大,影响幅度较小,但曲率较大时反而会限制裂纹的产生;不同尺度下饱和裂纹分布具有统计相似性,相应的裂块分布也具有相似性。(3)虽加载方式不同,平面、曲面中应力情况等效,裂纹演化过程遵从类似的应力机制,随裂纹插入均发生拉压应力转化的过程,这是裂纹饱和的主要原因;裂纹插入过程,裂纹间距与沿层面拉伸应变大小呈负指数关系;层面分离是裂纹饱和的关键过程,由于交界面处承受较大的载荷产生拉破坏产生,也会导致拉压应力场转化,以及拉应力峰值移动,从而影响裂纹插入位置。