论文部分内容阅读
中心裂纹圆盘试件能够方便的实现纯Ⅰ型、纯Ⅱ型和Ⅰ+Ⅱ复合型加载条件，且应力强度因子存在解析解，故在脆性材料断裂韧度测试方面得到广泛关注，但中心裂纹圆盘试件断裂试验技术仍存在一些有待解决的问题，作为基础的Atkinson的级数解仍存在普适性不足的问题;与试验相关的诸多问题，断裂韧度与试件尺寸以及切口形状的相关性，复合型加载下断裂行为与准则等均未得到充分研究。目前常见的动态断裂试验技术多为Ⅰ型动态断裂试验技术，Ⅱ型动态断裂试验技术还处于探索中;中心裂纹圆盘的动态断裂试验也处于探索中，且是一种可能更有前景的试验技术。为了建立较完整的中心裂纹圆盘试件断裂试验技术的理论和试验方法，本文在国家自然科学基金(弹脆性材料复合型动态断裂行为的实验和理论研究，编号10202021)的资助下开展了一系列的研究工作。 本文运用三角函数的倍角公式，得到无裂纹圆盘应力分量σθ、τrθ和σr关于ρ的幂级数展开式及其系数Aji的统一表达式;然后使用权函数方法得到中心裂纹圆盘试件在集中载荷和分布载荷作用下应力强度因子的完整解;可以解决任意相对裂纹长度、任意加载角和任意载荷分布角下，应力强度因子的计算问题。在此基础上，得到集中载荷作用下的应力强度因子公式的使用条件，和中心裂纹圆盘试件产生纯Ⅰ型、纯Ⅱ型裂纹的加载条件;此外，利用一阶微分法则，给出了KⅠ、KⅡ与α和θ相关的4个误差传递函数。这4个误差传递函数关于α和θ均是非线性的，它们既是误差分析的基础，又是合理确定α和θ的基础。 本文给出了一套较完整的中心裂纹圆盘断裂试验技术，包括槽式裂纹圆盘试件的加工、确保加载角精度的安装夹具、“着色法”测载荷分布角以及工具显微镜测裂纹开裂角等;并用此试验技术在岛津材料试验机上对PMMA这种典型的脆性材料成功地进行了多方面的断裂试验;所有试验结果的离散误差不超过5.5％，即达到了较高的精度，说明该试验技术是有效的。 试验结果表明，在0.005mm/min至20mm/min的加载速率范围内PMMA的KⅠc和KⅡc均随加载速率增大而减小，表现出“高速”脆性，这与无切口试件的单向拉伸试验结果一致;扫描电镜的断口分析表明，在PMMA中存在“抛物线”的吸能机制，且断口上抛物线的密度随加载速率的提高而降低，进而导致断裂韧度降低。试验结果还表明，在裂纹相对长度α=0.4502至α=0.5515的范围内，PMMA的KⅠc和KⅡc均具有一定的尺寸相关性，且JⅠc和KⅡc均随α增大而减小;扫描电镜下的断口分析表明，断裂韧度的尺寸相关性也与断口上抛物线的密度相关，然而，电镜分析尚不能说明试件断口上“抛物线”密度不同的原因，原因可能与切口形状有关。试验结果亦表明，纯Ⅰ型加载条件下裂纹是自相似扩展的，纯Ⅱ型和复合型加载条件下裂纹是非自相似扩展，且起裂始于切口端部的角点处。试验结果和有限元分析结果表明，纯Ⅱ型的开裂角与α和KⅡ无关，最大周向拉应力准则对于预测非理想裂纹的切口试件的开裂角仍然是有效的，但必须以实际试件切口端部角点处的应力场为依据。试验结果还表明，最大周向拉应力准则已难以作为非理想裂纹的PMMA试件在复合型加载条件下的断裂判据，为此本文建议以KⅠ/KⅠc～KⅡ/KⅡc的广义椭圆关系作为PMMA的断裂准则。 本文提出了在SHPB上使用中心裂纹圆盘试件形成CCCD-SHPB动态断裂试验系统，并建立了CCCD-SHPB动态断裂试验系统的三维动力学有限元模型。利用上述模型对中心裂纹圆盘试件在动态加载条件下的整个试验过程进行了分析模拟，成功地揭示了动态试验过程中试件两端载荷的变化规律以及左右裂尖处动态应力强度因子的变化规律。三维动力学数值分析结果表明，本文提出的CCCD-SHPB动态断裂试验方法是有效的;提出的以动态应力强度因子KⅠd的准静态解去表征和测试脆性材料动态断裂韧度的方法也是有效可靠的。进一步计算结果表明，在动态加载的初期阶段，由于试件两边载荷不平衡，导致CCCD-SHPB动态断裂试验系统中存在与试件相关的特征时间△T，且△T近似等于应力波在试件中来回反射两次的时间;利用CCCD-SHPB动态断裂试验系统进行动态断裂试验时，试件从加载至断裂的时间Tf必须大于△T，否则试验结果是不可靠的。因此，为保证表征和测试的可靠性，在进行CCCD-SHPB试验前，可采用本文的分析方法对试验系统进行动力学分析，以确定最佳试验方案和试件尺寸等。