基于随机场理论的二维非均质界面断裂演化规律研究

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本文研究基于随机场理论的二维界面在拉伸和压剪作用下的非均匀断裂演化过程及其演化规律。本文从细观力学的角度出发并结合有限单元法的基本思想,在前人的基础上进一步完善了界面微元模型。弹性体受拉伸作用时引入了第二类随机谐和函数来描述界面材料的非均质性;对于压剪作用的情况,在随机场理论基础上推导出黏聚力-内摩擦角相关对数正态随机场,并结合摩尔库伦准则来描述界面单元的强度。在弹性力学理论基础上进一步推导出更符合实际情况的半平面相对位移基本解,结合界面微元的物理方程、位移协调方程建立耦合控制方程。利用MatLab编写程序并对界面断裂过程进行数值模拟,得到界面在拉伸、压剪及考虑老化材料的影响下的非均匀断裂演化规律。
  结果表明,在拉伸和压剪作用下,均是集中力附近先出现裂缝并逐步形成断裂集聚区,断裂集聚区不断扩展并达到界面破坏临界值时,界面失稳破坏。界面断裂过程中,我们主要统计界面的裂缝发展过程、界面位移变化过程、界面断裂过程中的声发射现象及观测点处的P-△曲线。对声发射现象进行统计,发现其符合幂次G-R定律。幂次拟合的b值与网格划分及加载速率有关,并会随着网格的细分及加载速率的放缓最终收敛于一个值。界面强度均值越小,标准差越大,界面单元强度分布越离散,幂次拟合的b值越大。强度随机场的相关距离越大,b值越大。压剪作用时,压应力的分布是影响界面单元强度不均匀性的主要因素,压应力均值越小、标准差越大、压应力随机场相关距离越大,幂次拟合的b值越大;粘聚力和内摩擦角的分布及相关程度的改变对幂次拟合的b值影响不大。考虑材料老化的情况下,长短期强度比会改变界面抵抗外力变化的能力,衰减速率不影响界面抵抗外力的能力,但会影响界面的寿命。
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