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三点弯曲试样动态断裂的数值模拟与实验研究

钟卫洲  
【摘要】:动态断裂力学作为研究惯性效应不能忽略的断裂力学问题,在工程结构、设备有效性分析等方面得到了广泛的应用。由于考虑了惯性效应等因素的影响,动态断裂问题相对准静态断裂更为复杂,至今没有形成完善的理论。三点弯曲试样是简单的含裂纹结构,也是测试材料动态起裂韧性的常用试件,本文主要从数值计算和实验研究两方面对三点弯曲试样动态断裂问题进行了分析研究。 首先简要介绍了动态断裂力学的基本理论,对常用的裂纹动态起始问题判据、动态断裂问题数值分析的方法、动态断裂实验的加载技术、裂纹起裂时间的判定等问题进行了简单阐述。 分别利用有限元分析软件ABAQUS、DYTRAN对三点弯曲试样在冲击载荷作用下的动态响应进行了分析,计算出裂尖附近节点位移。采用位移法结合最小二乘法原理进行直线拟合得到了裂尖动态应力强度因子。结果表明动态应力强度因子沿试样厚度方向有所变化,试样中部得到的K(t)值比其他位置计算结果稍大,但最大差异在5%以内。 结合有限元计算,比较分析了近似公式计算冲击载荷下三点弯曲试样的动态应力强度因子,结果表明对于规则函数形式(线性和正弦)的冲击载荷,不同方法得到的动态应力强度因子曲线吻合得比较好。但是在实测冲击载荷下,不同分析方法得到的结果有较大差异。 对冲击载荷下三点弯曲试样进行了网格细分和粗分建模分析,结合有限元位移法和最小二乘法直线拟合原理,选取不同位置节点组计算了三点弯曲试样的动态应力强度因子。结果表明选取不同位置节点组计算得到的K(t)有所差异,裂尖附近节点位移与到裂尖距离r之间并不存在很好的线性关系,越靠近裂尖的节点组计算得到的K(t)越小。 通过Hopkinson压杆加载装置对三点弯曲试样实施了动态断裂实验,利用裂尖附近的应变值计算了试件的动态应力强度因子,并与有限元分析结果进行了比较,结果表明合理位置粘贴应变片得到的K(t)与有限元结果一致。而不同位置贴片测试结果表明,能否准确确定裂尖位置和贴片位置对计算结果有很大影响。 本文对冲击载荷下三点弯曲试样的数值分析和实验研究为计算动态应力强度因子和材料动态断裂实验提供了依据。


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