復雜應力狀態(tài)對材料層裂特性影響的探索性研究.pdf

1、簡單應力狀態(tài)下獲得的損傷參數(shù)如何應用到復雜應力狀態(tài)一直沒有很好解決。一維平面應變是一種相對簡單且實驗上容易實現(xiàn)的狀態(tài)，在該狀態(tài)下定義的材料層裂強度是一個與應力、應變率相關的材料物性常數(shù)。體現(xiàn)材料層裂強度的樣品后自由面速度差Δu具有明確的物理意義，因此受到廣泛研究。與之相應的臨界損傷度概念的提出將層裂機理研究大大推進。但是，對于非一維平面應變情況，如何定義和表征層裂強度和臨界損傷度，或者說，如何將層裂強度和臨界損傷度從簡單應力狀態(tài)推廣到復

2、雜應力狀態(tài)，并未從理論或?qū)嶒炆贤耆鉀Q。以此為需求背景，針對球面層裂問題，本文采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗測試等方法進行了研究。結(jié)果表明從一維平面應變條件下獲得的層裂強度或者臨界損傷度直接移用到球面情況差異較大。本文同時討論了復雜應力狀態(tài)的斷裂判據(jù)以及從一維平面應變層裂到球面層裂的修正方法。
　　本文的主要工作和結(jié)果有:
　　(1)系統(tǒng)地回顧和總結(jié)了對層裂現(xiàn)象的已有研究工作，討論了目前存在的種種問題，提出本研究的必要性和意義

3、;
　　(2)提出了加載幾何形狀對層裂強度具有較大影響的觀點，其核心在于不同的加載幾何對應了不同的應力狀態(tài)。在此問題上，國內(nèi)外大多集中在一維平面應變條件下的層裂實驗和理論研究，很少討論加載幾何形狀對層裂強度的影響;
　　(3)推導了球面層裂實驗中球形樣品在層裂前不同于一維平面應變的應力應變表達式，應力分析結(jié)果表明，可以采用對平面樣品預先施加一定大小的徑向應變（或徑向應力）來近似模擬球面樣品的受力狀態(tài)。將球面加載方式轉(zhuǎn)換為不同

4、初始應力狀態(tài)下的平面加載方式是一個嶄新的思考方式和探索途徑;
　　(4)設計了熱裝配和機械夾緊方法，研制出了不同大小的徑向預應力加載裝置。采用該裝置進行了徑向預應變在200με～2000με范圍內(nèi)的一系列層裂實驗，結(jié)果表明預應力對層裂強度影響巨大，即使預應力僅為沖擊壓力的0.70％，平面樣品的層裂強度也比無徑向預應力時降低了18.1％。采用軸對稱胞元模型，從孔洞長大基本原理出發(fā)分析指出，孔洞長大的路徑和所消耗能量與無徑向預應力時并

5、不相同，籍此解釋了樣品層裂強度隨預應力增加而降低的原因;
　　(5)采用控制應力狀態(tài)的大變形有限元方法，在相同的球應力和不同的應力三維度（球應力與等效應力比值）下對軸對稱體胞進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:在相同應變率下，不同應力三維度對孔洞的體積擴展影響顯著，應力三維度越低，孔洞體積增加越明顯，在球應力均為1750MPa時，應力三維度Rσ為1.83（λ=0.8）、∞（λ=1.0）對應的孔洞的體積含量分別為8.97×10-3和2.22×

6、10-3，可見前者是后者的4倍還多。傳統(tǒng)空心球模型是最難以擴展的模型，它過高的估計了孔洞體積擴展的阻力;
　　(6)初步分析了以單一曲線假設為基礎的應變等價原理的局限，指出應變等價原理并不能直接應用于含損傷的本構(gòu)方程，必須經(jīng)過適當?shù)男拚?。這種修正與損傷本構(gòu)方程中損傷變量的定義密切相關。含損傷的本構(gòu)關系特別要引入體現(xiàn)宏觀應力場這一重要參數(shù)，以及基于細觀力學的細觀損傷理論與唯像損傷理論兩者互相結(jié)合，才能對損傷演化進行更好的描述;

7、>　　(7)給出了對樣品施加靜態(tài)徑向預應力的數(shù)值模擬方法，利用已有程序中層裂數(shù)值模擬的相關計算技術，探討了樣品中徑向預應力對層裂信息的影響，計算結(jié)果表明，只有改變斷裂判據(jù)，才能復現(xiàn)材料的層裂信號隨預應力的改變而改變的實驗結(jié)果;
　　(8)探討了兩種描述復雜應力狀態(tài)下的斷裂理論:鄭長卿的空穴擴張比理論和Johnson斷裂面理論，并分析了兩種理論的相關性。結(jié)合實驗的可行性，通過引入應力三維度參量，分析了復雜應力狀態(tài)下樣品的損傷機理，最