论文部分内容阅读
近年来随着3D打印技术的发展,3D打印材料在工业制造、医疗器械和航空航天等领域得到了广泛应用。与传统的水射流、锯切成型等物理方法相比,3D打印技术制备的材料因其精确的几何形状和均质特性,因而常作为科研人员的试验材料。但在制备试样的过程中,由于工艺误差等原因往往会在试样中留下微小的初始裂纹,这些微裂纹在试样长期持荷、温度作用等外界因素的影响下会日益累积扩展,最终导致试样因裂纹贯通、失去承载力而发生失效断裂。这样不但会使材料过早破坏造成浪费,对于脆性材料时常还会发生结构或构件在工作状态下突然断裂破坏的重大事故,甚至造成严重的财产损失和人员伤亡。在材料断裂破坏过程中,裂纹的扩展路径及聚结类型对材料破坏形态起着决定性作用。因此,理解并预测3D打印材料中裂纹萌生、扩展及聚结的力学机理对于工程结构的安全性评价、提高材料强度和减少断裂事故具有重要意义。本文基于近场动力学(Peridynamics,PD)方法模拟研究了3D打印圆盘在准静态压缩荷载作用下的力学行为,考察了预置裂纹倾角、数目及位置对圆盘裂纹扩展路径和裂纹类型的影响,揭示了3D打印圆盘的裂纹扩展规律和裂纹聚结机理。本文的研究结果对3D打印材料的断裂破坏行为提供了重要的理论意义和参考价值。本文的主要研究工作如下:第一、基于键基近场动力学(Bond-based Peridynamics,BBPD)方法建立数值模型,考虑预置单裂纹的圆盘裂纹扩展问题。主要研究了等长8mm裂纹在恒定准静态压缩速率加载下的七种不同倾角时的初始裂纹起裂、扩展直至裂纹贯通圆盘的过程。此外在裂纹无填充的基础上,研究了裂纹填充后的路径扩展变化过程。将单裂纹无填充下的模拟结果与已有的实验结果进行比对,显示出近场动力学方法模拟单裂纹及裂纹填充路径扩展行为具有较好的正确性和有效性。模拟结果表明,在裂纹无填充时,裂纹类型主要为拉伸裂纹,裂纹填充后在45、60和75度时有剪切裂纹出现,填充前后单裂纹下均未出现裂纹聚结行为。第二、基于常规态基近场动力学(Ordinary State-based Peridynamics,OSPD)方法建立数值模型,考虑预置双裂纹的圆盘裂纹扩展问题。其中,主要研究了等长8mm双裂纹在恒定准静态压缩速率加载的不同倾角下的裂纹扩展及裂纹聚结过程,将研究内容主要分为共线和不共线两种情况。此外,研究了共线裂纹填充前后和不共线裂纹的路径扩展变化及扩展过程中的应力应变分布情况,分析阐释了最终形成的裂纹类型与应力应变之间的关系,最后总结给出了多种双裂纹情形下的裂纹扩展规律和聚结机理。第三、基于常规态型近场动力学方法建立数值模型,考虑预置三裂纹的圆盘裂纹扩展问题。首先研究了左右两条裂纹保持水平时中心裂纹在准静态压缩速率加载下裂纹扩展过程,然后进一步分别探究了裂纹填充、加载速率、裂纹长度、加载边界等多种因素影响下的路径扩展变化情况,结果表明,裂纹填充可以有效提高材料强度,减缓裂纹起裂和扩展速度;适当加大加载速率对对裂纹扩展路径也有一定的影响,但最终的裂纹类型并未改变;加载边界对圆形边界影响较大,会在加载区域出现裂纹分叉现象,对加载区的裂纹路径会产生一定的影响。