復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)對材料層裂特性影響的探索性研究.pdf

1、簡單應(yīng)力狀態(tài)下獲得的損傷參數(shù)如何應(yīng)用到復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)一直沒有很好解決。一維平面應(yīng)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(qiáng)度是一個與應(yīng)力、應(yīng)變率相關(guān)的材料物性常數(shù)。體現(xiàn)材料層裂強(qiáng)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(yīng)的臨界損傷度概念的提出將層裂機(jī)理研究大大推進(jìn)。但是，對于非一維平面應(yīng)變情況，如何定義和表征層裂強(qiáng)度和臨界損傷度，或者說，如何將層裂強(qiáng)度和臨界損傷度從簡單應(yīng)力狀態(tài)推廣到復(fù)

2、雜應(yīng)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(jìn)行了研究。結(jié)果表明從一維平面應(yīng)變條件下獲得的層裂強(qiáng)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(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的斷裂判據(jù)以及從一維平面應(yīng)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(qiáng)度具有較大影響的觀點，其核心在于不同的加載幾何對應(yīng)了不同的應(yīng)力狀態(tài)。在此問題上，國內(nèi)外大多集中在一維平面應(yīng)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(qiáng)度的影響;
　　(3)推導(dǎo)了球面層裂實驗中球形樣品在層裂前不同于一維平面應(yīng)變的應(yīng)力應(yīng)變表達(dá)式，應(yīng)力分析結(jié)果表明，可以采用對平面樣品預(yù)先施加一定大小的徑向應(yīng)變（或徑向應(yīng)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(yīng)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(shè)計了熱裝配和機(jī)械夾緊方法，研制出了不同大小的徑向預(yù)應(yīng)力加載裝置。采用該裝置進(jìn)行了徑向預(yù)應(yīng)變在200με～2000με范圍內(nèi)的一系列層裂實驗，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力對層裂強(qiáng)度影響巨大，即使預(yù)應(yīng)力僅為沖擊壓力的0.70％，平面樣品的層裂強(qiáng)度也比無徑向預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力時并

5、不相同，籍此解釋了樣品層裂強(qiáng)度隨預(yù)應(yīng)力增加而降低的原因;
　　(5)采用控制應(yīng)力狀態(tài)的大變形有限元方法，在相同的球應(yīng)力和不同的應(yīng)力三維度（球應(yīng)力與等效應(yīng)力比值）下對軸對稱體胞進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:在相同應(yīng)變率下，不同應(yīng)力三維度對孔洞的體積擴(kuò)展影響顯著，應(yīng)力三維度越低，孔洞體積增加越明顯，在球應(yīng)力均為1750MPa時，應(yīng)力三維度Rσ為1.83（λ=0.8）、∞（λ=1.0）對應(yīng)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(kuò)展的模型，它過高的估計了孔洞體積擴(kuò)展的阻力;
　　(6)初步分析了以單一曲線假設(shè)為基礎(chǔ)的應(yīng)變等價原理的局限，指出應(yīng)變等價原理并不能直接應(yīng)用于含損傷的本構(gòu)方程，必須經(jīng)過適當(dāng)?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(guān)。含損傷的本構(gòu)關(guān)系特別要引入體現(xiàn)宏觀應(yīng)力場這一重要參數(shù)，以及基于細(xì)觀力學(xué)的細(xì)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(jìn)行更好的描述;

7、>　　(7)給出了對樣品施加靜態(tài)徑向預(yù)應(yīng)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(guān)計算技術(shù)，探討了樣品中徑向預(yù)應(yīng)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(fù)現(xiàn)材料的層裂信號隨預(yù)應(yīng)力的改變而改變的實驗結(jié)果;
　　(8)探討了兩種描述復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂理論:鄭長卿的空穴擴(kuò)張比理論和Johnson斷裂面理論，并分析了兩種理論的相關(guān)性。結(jié)合實驗的可行性，通過引入應(yīng)力三維度參量，分析了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下樣品的損傷機(jī)理，最