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《大连理工大学》 2005年
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玻璃材料在双向应力下失效分析的数值模拟与失效准则的验证

李维红  
【摘要】:玻璃是典型的脆性材料,并越来越广泛地应用在航空、机械、建筑等国民经济生产 中。对玻璃材料断裂过程的研究是材料学和力学界研究的重点和难点,脆性材料的断裂 总是起源于材料的原有缺陷或裂纹,因而研究裂纹的发展和失稳条件的断裂力学在强度 和性能评价中具有重要意义。由于实际玻璃构件大多是在双向或多向应力状态下工作 的,而双向应力是否影响固体的断裂行为一直是一个有争议的问题,且至今尚未有统一 的结论。另外,断裂力学理论认为在线弹性范围内,应变能释放率G、应力强度因子 K、J积分和裂纹张开位移δ四个断裂参数都是等价的,任何一个达到临界值时,其他 三个也必然达到临界值。以上四个断裂参数都跟平行于裂纹的应力无关。如证明固体的 断裂行为确实受到平行于裂纹的应力影响,那麽应变能释放率G、应力强度因子K、J 积分和裂纹张开位移δ四个断裂参数在单轴应力下的等效关系在双轴应力下是否还成 立?如不成立,那麽,玻璃材料在双轴应力状态下的裂纹扩展由什麽参数决定?与此同 时,如何建立脆性材料在双轴应力作用下的破坏准则一直是人们所追求的目标之一。要 搞清这些问题,到目前为止还未有一结论性结果。而且,玻璃等脆性材料的拉伸试验尤 其是双向拉伸试验和穿透裂纹预制等问题在实施上有相当难度。 本研究利用断裂力学的研究方法,借助于统计学和现有的数值计算方法,以实验结 果为基础来建立数值模型,进行了玻璃材料双向应力状态下断裂失效过程的数值模拟。 到目前为止,国内外在这方面的研究还很有限。 本文的研究目的即是要搞清玻璃材料在双向应力下的断裂和裂纹扩展究竟受不受平 行于裂纹的应力影响?如受到平行于裂纹的应力影响,应变能释放率G、应力强度因子 K、J积分和裂纹张开位移δ四个断裂参数在单轴应力下的等效关系在双轴应力下是否 还成立?如不成立,那麽,玻璃类脆性材料在双轴应力状态下的裂纹扩展由什麽参数决 定?双向和单向应力下断裂参数有何区别?玻璃材料在双轴应力状态下应遵循何种断裂 准则?等。目的在于检验和探索玻璃材料在双轴应力下的破坏过程,为结构的失效分析 提供依据。 玻璃材料在双向应力下失效分析的数值模拟与失效准则的验证 本研究以根据国家标准进行的玻璃三点弯曲试验结果为基础,进行了整个数值模型 的校验分析,同时对模型的参数进行讨论和分析,为其应用于玻璃类脆性材料的数值模 拟做准备。 对玻璃材料在双向应力和单向应力下裂纹驱动力参数的关系和差异进行了数值模拟 及理论研究,得出在双向载荷下,传统的K一G一J一6等效关系不再成立的结论。证明了 其中的两个参数G和6与双向应力有关,而另外两个参数K和J与双向应力无关。裂纹 张开位移6更适宜作为处于双向应力状态下材料断裂的评价标准。 完成了玻璃材料在单向及双向平面应力状态下的阻力特性研究,并与相关的实验结 果取得了较好的一致,表明了数值计算的可靠性。直接观察和演示了玻璃材料的失效全 过程及裂纹的起裂、失稳扩展全过程,解决了玻璃材料在双向应力下的断裂和裂纹扩展 究竟受不受平行于裂纹的应力影响,及如何影响等问题。 进一步研究了了在双向应力比入不同时,玻璃材料断裂力学参数应力强度因子K二 及裂纹张开位移6的变化规律,进一步证明了双向应力对玻璃断裂及裂纹扩展的影响, 也进一步验证了玻璃类脆性材料在双轴应力下的断裂是由裂纹张开位移6决定的。 对单向拉伸下含不同倾斜角度裂纹玻璃材料失效情况进行了数值模拟,重点研究了 含不同裂纹角倾斜直通裂纹的玻璃材料试样在单向拉伸下的复合应力效应。证明在这种 情况下裂纹尖端存在的三种类型应力:K,、K;I及平行应力对裂纹扩展有不同的作用。 研究了玻璃材料的慢裂纹扩展和扩展速度所受双向应力的影响,并讨论这种影响的 机理和作用。通过声发射特性的数值模拟得到玻璃类脆性材料在单向及双向应力状态下 的亚临界裂纹扩展长度一荷载步曲线。得出平行于裂纹面的拉应力对裂纹扩展有一定程 度的阻碍作用,而平行于裂纹的压应力对裂纹有驱动效果的结论。该数值实验结果与相 关的实验结果取得了较好的一致,表明数值实验的可靠性,从而为脆性材料的可靠性和 寿命评价提供理论基础和手段。 大连理工大学博士学位论文 、、- 、 、、 在上述研究的基础上,运用研究结果验证了玻璃材料在双轴应力下应用应变断裂准 则的可行性。 关键词:玻璃;脆性材料;双向应力;断裂力学;数值模拟;K-于J一6等效关系;阻力 特性;复合应力效应;亚临界裂纹扩展;应变断裂准则
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