梁在纯弯曲作用下的脆性断裂
发布时间：2021-08-02 17:52
脆性梁在纯弯曲断裂时会产生多个碎片,其断裂过程直接影响弯曲波的产生和传播,以及产生碎片的平均尺度.采用内聚力断裂模型对脆性梁的弯曲断裂过程进行有限元数值模拟,再现了断裂中的裂纹扩展过程,分析了脆性梁断裂后断裂面弯矩与裂纹张开角之间的规律.数值结果表明:（1）在一个广泛的材料参数和加载应变率条件下,断裂面弯矩与裂纹张开角之间均呈相似的单调衰减规律;（2）断裂过程中弯矩做功与断裂面的表面能一致;（3）在纯弯矩作用下,裂纹前端总是存在压应力区域,使得断裂末期应力状态较为复杂,断裂不再是纯弯曲状态.
【文章来源】：宁波大学学报(理工版). 2019,32(06)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
有限元模型
笸淝?Φ哪诰哿Σ?.为简化计算模型,减少计算量,脆性梁的其他材料参数采用文献[13]中典型脆性材料工程陶瓷的材料参数.加载点的2个刚性块对弯曲梁施加Y轴负方向的速度载荷,固定点的2个刚性块设置固定约束,其中刚性块与弯曲梁之间采用面面接触,采用罚函数接触算法减少沙漏效应.图2有限元模型1.2内聚力断裂模型Alfano[14]对多种内聚力模型进行了对比计算,得出双线性模型能够同时兼顾计算精度和计算效率.因此,本文选用该模型来控制内聚力层的破坏,如图3所示,可分为材料的线弹性阶段和损伤后的应力线性软化阶段,其中,K表示内聚力单元的刚度;σmax表示开裂时最大应力值;Gc表示断裂能,材料从完好到断裂所吸收的能量,即应力位移曲线的面积积分.内聚力单元的损伤演化关系如图4所示.在材料发生断裂过程中,断裂点的单元损伤应力y与损伤因子d、无损伤材料等效应力之间的关系为y(1d),当d=1时,即损伤完全,材料将完全破坏而失去承载能力.在数值计算中,采用单元消去方法将失效单元从整体结构中消去.图3内聚力单元的双线性本构模型图4内聚力单元的损伤示意图内聚力单元的参数也设置为典型的工程陶瓷[13]参数:Gc=0.2Nmm-1,K=4.5×108MPamm-1,求得完全断裂时裂纹张开位移δc=2Gc/σmax=1.33μm.内聚力单元的网格尺寸是非物理长度尺度,以提供裂缝尖端附近的应力的精确计算,内聚区长度lcz是内聚力本构关系起作用的长度量度[15],裂纹尖端内聚力区的大小lcz[16]为:ccz2π8GlE.(1)
褐?洳捎妹婷娼哟?,采用罚函数接触算法减少沙漏效应.图2有限元模型1.2内聚力断裂模型Alfano[14]对多种内聚力模型进行了对比计算,得出双线性模型能够同时兼顾计算精度和计算效率.因此,本文选用该模型来控制内聚力层的破坏,如图3所示,可分为材料的线弹性阶段和损伤后的应力线性软化阶段,其中,K表示内聚力单元的刚度;σmax表示开裂时最大应力值;Gc表示断裂能,材料从完好到断裂所吸收的能量,即应力位移曲线的面积积分.内聚力单元的损伤演化关系如图4所示.在材料发生断裂过程中,断裂点的单元损伤应力y与损伤因子d、无损伤材料等效应力之间的关系为y(1d),当d=1时,即损伤完全,材料将完全破坏而失去承载能力.在数值计算中,采用单元消去方法将失效单元从整体结构中消去.图3内聚力单元的双线性本构模型图4内聚力单元的损伤示意图内聚力单元的参数也设置为典型的工程陶瓷[13]参数:Gc=0.2Nmm-1,K=4.5×108MPamm-1,求得完全断裂时裂纹张开位移δc=2Gc/σmax=1.33μm.内聚力单元的网格尺寸是非物理长度尺度,以提供裂缝尖端附近的应力的精确计算,内聚区长度lcz是内聚力本构关系起作用的长度量度[15],裂纹尖端内聚力区的大小lcz[16]为:ccz2π8GlE.(1)结合工程陶瓷的材料参数可求得lcz=240μm,Mos等[17]指出,若内聚力区域中内聚力单元的个数太少,则不能很好地展示裂纹尖端的应力分布,建议使用10个及以上的单元个数.本文内聚力单
【参考文献】：
期刊论文
[1]固体的冲击拉伸碎裂[J]. 郑宇轩,周风华,胡时胜,余同希. 力学进展. 2016(00)
[2]韧性材料的高应变率拉伸碎裂过程及材料参数影响[J]. 郑宇轩,胡时胜,周风华. 固体力学学报. 2012(04)
[3]韧性金属圆环高速膨胀碎裂过程的有限元模拟[J]. 陈磊,周风华,汤铁钢. 力学学报. 2011(05)
本文编号：3318013
【文章来源】：宁波大学学报(理工版). 2019,32(06)
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
有限元模型
笸淝?Φ哪诰哿Σ?.为简化计算模型,减少计算量,脆性梁的其他材料参数采用文献[13]中典型脆性材料工程陶瓷的材料参数.加载点的2个刚性块对弯曲梁施加Y轴负方向的速度载荷,固定点的2个刚性块设置固定约束,其中刚性块与弯曲梁之间采用面面接触,采用罚函数接触算法减少沙漏效应.图2有限元模型1.2内聚力断裂模型Alfano[14]对多种内聚力模型进行了对比计算,得出双线性模型能够同时兼顾计算精度和计算效率.因此,本文选用该模型来控制内聚力层的破坏,如图3所示,可分为材料的线弹性阶段和损伤后的应力线性软化阶段,其中,K表示内聚力单元的刚度;σmax表示开裂时最大应力值;Gc表示断裂能,材料从完好到断裂所吸收的能量,即应力位移曲线的面积积分.内聚力单元的损伤演化关系如图4所示.在材料发生断裂过程中,断裂点的单元损伤应力y与损伤因子d、无损伤材料等效应力之间的关系为y(1d),当d=1时,即损伤完全,材料将完全破坏而失去承载能力.在数值计算中,采用单元消去方法将失效单元从整体结构中消去.图3内聚力单元的双线性本构模型图4内聚力单元的损伤示意图内聚力单元的参数也设置为典型的工程陶瓷[13]参数:Gc=0.2Nmm-1,K=4.5×108MPamm-1,求得完全断裂时裂纹张开位移δc=2Gc/σmax=1.33μm.内聚力单元的网格尺寸是非物理长度尺度,以提供裂缝尖端附近的应力的精确计算,内聚区长度lcz是内聚力本构关系起作用的长度量度[15],裂纹尖端内聚力区的大小lcz[16]为:ccz2π8GlE.(1)
褐?洳捎妹婷娼哟?,采用罚函数接触算法减少沙漏效应.图2有限元模型1.2内聚力断裂模型Alfano[14]对多种内聚力模型进行了对比计算,得出双线性模型能够同时兼顾计算精度和计算效率.因此,本文选用该模型来控制内聚力层的破坏,如图3所示,可分为材料的线弹性阶段和损伤后的应力线性软化阶段,其中,K表示内聚力单元的刚度;σmax表示开裂时最大应力值;Gc表示断裂能,材料从完好到断裂所吸收的能量,即应力位移曲线的面积积分.内聚力单元的损伤演化关系如图4所示.在材料发生断裂过程中,断裂点的单元损伤应力y与损伤因子d、无损伤材料等效应力之间的关系为y(1d),当d=1时,即损伤完全,材料将完全破坏而失去承载能力.在数值计算中,采用单元消去方法将失效单元从整体结构中消去.图3内聚力单元的双线性本构模型图4内聚力单元的损伤示意图内聚力单元的参数也设置为典型的工程陶瓷[13]参数:Gc=0.2Nmm-1,K=4.5×108MPamm-1,求得完全断裂时裂纹张开位移δc=2Gc/σmax=1.33μm.内聚力单元的网格尺寸是非物理长度尺度,以提供裂缝尖端附近的应力的精确计算,内聚区长度lcz是内聚力本构关系起作用的长度量度[15],裂纹尖端内聚力区的大小lcz[16]为:ccz2π8GlE.(1)结合工程陶瓷的材料参数可求得lcz=240μm,Mos等[17]指出,若内聚力区域中内聚力单元的个数太少,则不能很好地展示裂纹尖端的应力分布,建议使用10个及以上的单元个数.本文内聚力单
【参考文献】：
期刊论文
[1]固体的冲击拉伸碎裂[J]. 郑宇轩,周风华,胡时胜,余同希. 力学进展. 2016(00)
[2]韧性材料的高应变率拉伸碎裂过程及材料参数影响[J]. 郑宇轩,胡时胜,周风华. 固体力学学报. 2012(04)
[3]韧性金属圆环高速膨胀碎裂过程的有限元模拟[J]. 陈磊,周风华,汤铁钢. 力学学报. 2011(05)
本文编号：3318013
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