基于DIC的爆炸加载下脆性材料裂纹扩展规律的试验研究

通过数字图像相关法（DIC），应用PMMA对爆炸加载条件下脆性材料的裂纹扩展规律进行了试验研究。基于对称性试验模型，实现了裂纹尖端位置和应变场信息的同步记录。以此为基础，通过对比分析获知，主应变场应变值最大点不能作为裂纹尖端的判断依据。并以动态裂纹扩展速度为参量，应用断裂动力学和最小二乘牛顿迭代法，计算出了考虑惯性效应的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的应力强度因子:K_Ⅰ和K_Ⅱ值会随着裂纹扩展方向改变而发生突变；K_Ⅰ最大值为2.63 MPa·m1/2，最小值为0.89 MPa·m1/2；其整体变化趋势表明，爆炸加载条件下脆性材料裂纹扩展随能量积聚和释放呈循环阶梯式递减发展。     

Theoretical statistical solution and numerical simulation of heterogeneous brittle materials

The analytical stress-strain relation with heterogeneous parameters is derived for theheterogeneous brittle materials under a uniaxial extensional load, in which the distributions of theelastic modulus and the failure strength are assumed to be statistically independent. This theoreticalsolution gives an approximate estimate of the equivalent stress-strain relations for 3-D heterogeneousmaterials. In one-dimensional cases it may provide comparatively accurate results. The theoreticalsolution can help us to explain how the heterogeneity influences the mechanical behaviors, Further, anumerical approach is developed to model the non-linear behavior of three-dimensional heterogeneousbrittle materials. The lattice approach and statistical techniques are applied to simulate the initialheterogeneity of heterogeneous materials. The load increment in each loading stage is adaptivelydetermined so that the better approximation of the failure process can be realized. When the maximumtensile principal strain exceeds the failure strain, the elements are considered to be broken, which canbe carried out by replacing its Young‘s modulus with a very small value. A 3-D heterogeneous brittlematerial specimen is simulated during a full failure process. The numerical results are in good agreementwith the analytical solutions and experimental data.     

三维非均匀脆性材料破坏过程的数值模拟

采用有限元方法模拟了三维均匀固体材料在宏观等效力学性质和破坏过程。首先采用格形（lattice）方法把试件离散成三维均匀网格,在每个单元格中将材料按照均匀处理,根据给定的统计规则来确定不同单元格中的材料常数以反映材料的非均匀性。然后对非均匀脆性材料选用简单的本构关系与断裂准则,采用自适应选取载荷步长对试件进行加载,通过非平衡迭代技术对刚度矩阵进行不断修正,实现了非均匀脆性材料的弹性行为及破坏过程的数值模拟。在此基础上,通过数值计算研究了材料的非均匀分布对宏观等效力学性质和破坏过程的影响,给出了破坏全过程的非线性载荷－位移曲线以及不同载荷阶段的三维损伤破坏的演化图。     

界面对金属基复合材料轴向弹塑性拉伸性能的影响及局部应力场的分析

本文建立在广义自洽有限元迭代平均化方法的基础上，计算了存在弹性界面相的ＳｉＣ晶须增强铝基复合材料的轴向弹塑性拉伸性能。研究了界面厚度以及界面在不同纤维长径比和体分比情况下对复合材料轴向拉伸性能的影响。本文同时分析了界面材料性质的分布形式对复合材料的拉伸性能及局部应力场的影响     

强约束球形装药反应裂纹传播和反应烈度表征实验

炸药燃烧的高温高压气体产物可以进入基体裂纹中引发炸药表面热传导燃烧，形成所谓的对流燃烧。在一定约束条件下，不断上升的气体压力反过来又使炸药基体产生更多的裂纹，为对流燃烧提供更多的通道和燃烧表面积，快速生成大量产物气体导致高烈度反应现象的产生。本文中设计了一种新型强约束球形装药中心点火实验，针对一种HMX为基的PBX炸药，对高烈度反应条件下燃烧裂纹传播和反应增长过程进行了观测，实验中采用测得的反应压力和壳体速度历程对反应烈度进行了量化表征。在带窗口结构中，早期炸药中的燃烧裂纹不可见；中期燃烧裂纹扩展到药球表面时，先形成4条沿经线方向近似对称的主裂纹，随后环向贯通并扩展到整个药球表面；最后的剧烈反应造成强烈发光。上述反应演化经历低压增长阶段约为100 μs，之后伴随着壳体变形膨胀产生剧烈的反应，此时产物压力在约10 μs时间内超过1 GPa，并形成约20%相对于裸炸药爆轰的超压输出。在全钢结构中，20 mm厚的壳体膨胀速度最大可达到500 m/s，此时壳体完全破裂。     

固体的冲击拉伸碎裂

固体材料在冲击拉伸载荷作用下常常会断裂成多个碎片(碎片化)，固体材料碎片化的物理机制是多点损伤同时在固体中成核和发展，导致固体多处破坏。自 Mott 对固体的动态碎裂问题进行了开创性研究后，几十年来，对固体动态碎裂机制的研究一直是应用物理学、力学、航天和兵器工程等领域共同关心的重要课题。本文介绍了在冲击拉伸载荷作用下固体的动态碎裂研究的发展历史，给出相关的理论分析、实验研究和数值模拟的研究进展，特别针对现有的各种关于碎片尺度、碎片分布、以及碎片化物理机制的理论模型进行了较详尽的阐述和讨论，最后指出现有实验和理论研究中仍然存在的关键科学问题及进一步的研究展望。     

氮化硅新相P6和P6＇的理论研究：一种研究陶瓷材料的新工具

在原子尺度上构建模型,采用密度泛函理论结合准谐波近似研究了氮化硅新相（P6和P6＇相）的点阵常数、弹性常数和弹性模量. 并使用β-Si3N4作基准材料来测试计算结果的准确性. 研究发现β-Si3N4的晶胞常数和弹性常数与实验值吻合相当好. 研究了P6和P6＇相在30～55 GPa的各向异性因子、脆性和力学稳定性,结果表明两相属于金属性和脆性材料,且晶体的脆性和各向异性都随着压强的升高而增大. β相在40 GPa和300 K时会转变成P6＇相. 当压强继续升高到53．2GPa时,P6＇相又转化成δ相．同时研究了氮化硅的热容、体积和体模量等性质随温度的变化规律．     

SBFEM与非局部宏微观损伤模型相结合的准脆性材料开裂模拟

混凝土是一种被广泛应用于土木和水利工程中的准脆性材料, 在各种内外部因素的作用下, 开裂是混凝土结构最为普遍的破坏形式, 准确模拟结构的开裂过程, 对于结构的安全评估至关重要. 将比例边界有限元与非局部宏微观损伤模型相结合提出一种准脆性材料开裂模拟新方法. 以比例边界有限元子域的比例中心作为物质点, 通过两比例中心(物质点对)之间的物质键的正伸长率来定义微细观损伤, 将某点影响域内物质键的微细观损伤加权平均得到该点的宏观拓扑损伤. 再引入能量退化函数, 将宏观拓扑损伤嵌入到比例边界有限元的基本框架中. 充分利用比例边界有限元网格允许存在悬挂节点的优势, 采用四叉树网格离散技术进行快速、高质量的多级网格划分与过渡. 通过一个I型开裂与一个混合型开裂的两个典型算例, 验证了该方法可捕获结构裂纹扩展路径与荷载变形曲线. 与现有的方法相比, 本文的损伤模型可得到更准确的局部开裂损伤带, 结果更为合理, 且具有更高的计算精度和计算效率. 当损伤过程区网格尺寸小于影响域半径的1/5时, 计算结果不存在网格敏感性问题.      

准脆性材料抗压强度能量平衡尺寸效应模型

针对现有尺寸效应模型难以体现准脆性材料完整的抗压强度尺寸效应变化规律及其内在机理, 本文通过分析准脆性材料单轴压缩破坏过程中能量输入、储存、整体和局部能量耗散, 建立体现整体和局部损伤的力学模型及描述上述能量演化过程的双线性名义和真实应力应变曲线, 在此基础上确定了名义应力最大时输入能量、储存弹性能、整体和局部能量耗散的表达式, 最后基于能量平衡原理建立抗压强度尺寸效应模型. 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能完整体现名义抗压强度尺寸效应, 即随试样尺寸增大, 名义抗压强度在试样尺寸小于等于局部损伤区尺寸时为真实强度, 然后逐渐减小, 最终当试样尺寸趋于无穷大时趋于弹性极限强度; 抗压强度能量平衡尺寸效应模型也能同时体现高径比和试样直径对名义强度的影响, 其包含的参数具有明确的物理意义, 可以反映真实强度、弹性极限强度、名义损伤模量非线性、局部损伤区大小和方向对准脆性材料名义抗压强度尺寸效应的影响; 通过把抗压强度能量平衡尺寸效应模型和现有尺寸效应模型应用于预测各种材料尺寸效应试验和数值模拟数据, 结果表明: 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能很好描述试验和数值模拟尺寸效应的非线性变化规律及内在机理, 和现有尺寸效应模型相比, 其总体平均误差最小, 且小于5%.      

页岩气高效开采的可压裂度和射孔簇间距预测

页岩储层的可压裂性是影响页岩气产量的关键因素. 本文基于断裂力学理论, 以高围压下岩石层理弱面的剪切破坏为主要研究对象, 依据岩石抗拉强度和层理弱面抗剪强度的比值关系, 首先提出了可压裂度的概念, 给出了无量纲的定性曲线图, 涵盖了岩石脆性矿物质含量, 粘性主导和韧性主导裂缝尖端流体压强、射孔簇分布间距的综合地质与工程因素. 接着提出了一种新的表征高围压下页岩可压裂度的无量纲参数, 在保证达到充分解吸附的最小压裂间距前提下, 依据该参数可计算水平井压裂中的射孔簇间距, 可作为工程参考指标. 本文将断裂力学理论结合水力压裂高效开采页岩气工程, 具有力学理论意义和工程应用前景.