玻璃材料破壞過程的數(shù)值模擬與分析

內(nèi)容概要

本書利用斷裂力學(xué)的研究方法，借助于統(tǒng)計(jì)學(xué)和現(xiàn)有的數(shù)值計(jì)算方法，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)來建立數(shù)值模型，進(jìn)行了玻璃材料雙向應(yīng)力狀態(tài)下斷裂失效過程的數(shù)值模擬。研究目的即是要搞清玻璃材料在雙向應(yīng)力下的斷裂和裂紋擴(kuò)展究竟受不受平行于裂紋的應(yīng)力影響。如受到平行于裂紋的應(yīng)力影響，應(yīng)變能釋放率G、應(yīng)力強(qiáng)度因子K、J積分和裂紋張開位移δ四個(gè)斷裂參數(shù)在單軸應(yīng)力下的等效關(guān)系在雙軸應(yīng)力下是否還成立?如不成立，那么，玻璃類脆性材料在雙軸應(yīng)力狀態(tài)下的裂紋擴(kuò)展由什么參數(shù)決定?雙向和單向應(yīng)力下斷裂參數(shù)有何區(qū)別?玻璃材料在雙軸應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)遵循何種斷裂準(zhǔn)則?……研究目的在于檢驗(yàn)和探索玻璃材料在雙軸應(yīng)力下的破壞過程，為結(jié)構(gòu)的失效分析提供依據(jù)。    全書共分6章，  內(nèi)容包括：對(duì)玻璃材料在雙向應(yīng)力和單向應(yīng)力下裂紋驅(qū)動(dòng)力參數(shù)的關(guān)系和差異進(jìn)行了數(shù)值模擬及理論研究，得出在雙向載荷下，傳統(tǒng)的K-G-J-δ等效關(guān)系不再成立的結(jié)論。證明了其中的兩個(gè)參數(shù)G和δ與雙向應(yīng)力有關(guān)，  而另外兩個(gè)參數(shù)K和J與雙向應(yīng)力無關(guān)；裂紋張開位移δ更適宜作為處于雙向應(yīng)力狀態(tài)下材料斷裂的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。完成了玻璃材料在單向及雙向平面應(yīng)力狀態(tài)下的阻力特性研究，并與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了較好的一致，表明了數(shù)值計(jì)算的可靠性。直接觀察和演示了玻璃材料的失效全過程及裂紋的啟裂、失穩(wěn)擴(kuò)展全過程，解決了玻璃材料在雙向應(yīng)力下的斷裂和裂紋擴(kuò)展究竟受不受平行于裂紋的應(yīng)力影響，及如何影響等問題；進(jìn)一步研究了在雙向應(yīng)力比λ不同時(shí)，玻璃材料斷裂力學(xué)參數(shù)應(yīng)力強(qiáng)度因子Kic及裂紋張開位移δ的變化規(guī)律，進(jìn)一步證明了雙向應(yīng)力對(duì)玻璃斷裂及裂紋擴(kuò)展的影響，也進(jìn)一步驗(yàn)證了玻璃類脆性材料在雙軸應(yīng)力下的斷裂是由裂紋張開位移δ決定的；對(duì)單向拉伸下含不同傾斜角度裂紋玻璃材料失效情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了含不同裂紋角傾斜直通裂紋的玻璃材料試樣在單向拉伸下的復(fù)合應(yīng)力效應(yīng)。證明了在這種情況下裂紋尖端存在的三種類型應(yīng)力：KI、KII及平行應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展有不同的作用；研究了玻璃材料的慢裂紋擴(kuò)展和擴(kuò)展速度所受雙向應(yīng)力的影響，并討論這種影響的機(jī)理和作用。通過聲發(fā)射特性的數(shù)值模擬得到玻璃類脆性材料在單向及雙向應(yīng)力狀態(tài)下的亞臨界裂紋擴(kuò)展長度一荷載步曲線，得出平行干裂紋的拉應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展有一定程度的阻礙作用，而平行于裂紋的壓應(yīng)力對(duì)裂紋有驅(qū)動(dòng)效果的結(jié)論。在上述研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用研究結(jié)果驗(yàn)證了玻璃材料在雙軸應(yīng)力下應(yīng)用應(yīng)變斷裂準(zhǔn)則的可行性。    本書可供從事玻璃類脆性材料及相關(guān)材料力學(xué)行為研究的科研和設(shè)計(jì)工作的科技人員參考使用，也可供高等院校有關(guān)專業(yè)的教師和研究生參考使用。

作者簡介

李維紅，博士，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)博士后，大連大學(xué)副教授，《國外建材科技》雜志編委，中國硅酸鹽學(xué)會(huì)測(cè)試技術(shù)分會(huì)理事，遼寧省評(píng)標(biāo)專家?guī)煸u(píng)標(biāo)專家。主要從事土木工程材料及結(jié)構(gòu)特性、工程造價(jià)方向的教學(xué)及科研工作。近年來，主持了中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目、建設(shè)部研究開發(fā)項(xiàng)

書籍目錄

緒論本章參考文獻(xiàn)第1章  玻璃材料破壞過程的數(shù)值模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證  1.1  玻璃材料的破壞  1.2  MFPA數(shù)值方法原理    1.3  材料性質(zhì)的賦值  1.4  數(shù)值模擬的分析過程  1.5  數(shù)值模型的建立及其驗(yàn)證    1.5.1  玻璃材料的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)    1.5.2  數(shù)值模型的建立    1.5.3  數(shù)值模型的可靠性驗(yàn)證　本章參考文獻(xiàn)第2章  雙向應(yīng)力和單向應(yīng)力下裂紋驅(qū)動(dòng)力參數(shù)的關(guān)系和差異  2.1  前言  2.2  傳統(tǒng)斷裂力學(xué)參量和判斷    2.2.1  工型應(yīng)力強(qiáng)度因子K      2.2.2  裂紋尖端張開位移CTOD     2.2.3  J積分    2.2.4  能量釋放率  2.3  裂紋驅(qū)動(dòng)力參數(shù)在雙向和單向應(yīng)力下的關(guān)系和差異的理論分析　……第3章  玻璃材料在雙向應(yīng)力下的阻力特性數(shù)值模擬第4章  玻璃材料中傾斜裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬與復(fù)合應(yīng)力效應(yīng)第6章  玻璃材料在雙向應(yīng)力下應(yīng)變斷裂準(zhǔn)則的驗(yàn)證附錄A  MFPA2D系統(tǒng)使用說明

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：玻璃材料是一種典型的脆性材料，因此它的評(píng)價(jià)顯然適合斷裂力學(xué)理論。在斷裂力學(xué)應(yīng)用中，我們很自然地假定了結(jié)構(gòu)上的裂紋的形狀和位置以及載荷的類型和大小都是精確知道的，實(shí)際上一旦出現(xiàn)宏觀裂紋，隨即就發(fā)生斷裂。玻璃的破壞是一個(gè)微裂紋不斷增長的損傷過程和亞臨界裂紋擴(kuò)展過程。因此它屬于損傷力學(xué)范疇，損傷力學(xué)可以看做斷裂力學(xué)的前期，兩者的分界是當(dāng)稠密的缺陷中的一個(gè)比其他缺陷發(fā)展得快或者由于別的原因被分離出來發(fā)展成一條主裂紋時(shí)，便進(jìn)入斷裂力學(xué)領(lǐng)域。損傷力學(xué)認(rèn)為工程材料在各種載荷和不利環(huán)境條件下其強(qiáng)度將隨時(shí)間逐漸減小，這是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷在不斷地增加和積累，這種損傷過程是不可逆的，最終將導(dǎo)致主裂紋的出現(xiàn)和斷裂?？梢哉f結(jié)構(gòu)在開始就進(jìn)入了不同程度的損傷過程。材料的損傷大致可分為四類，即蠕變損傷、延塑性損傷、疲勞損傷及脆化損傷，它主要考慮材料微觀的變化，認(rèn)為材料內(nèi)部微缺陷和空洞等不能承受應(yīng)力，因而實(shí)際承受力的面積比原來要小，宏觀彈性模量也隨損傷的不同而減小。但用斷裂力學(xué)方法評(píng)價(jià)玻璃類脆性材料的失效也存在實(shí)驗(yàn)上無法實(shí)現(xiàn)的問題。由于玻璃往往發(fā)生突發(fā)性脆性斷裂，很難在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到玻璃的疲勞裂紋慢擴(kuò)展。本研究運(yùn)用數(shù)值模擬方法成功地解決了這一難題。5.本書的研究意義、目的進(jìn)行玻璃材料的力學(xué)實(shí)驗(yàn)是研究其斷裂過程最基本的研究方法，它為我們的研究提供了第一手寶貴資料，但是，由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果受各方面因素（如加載條件、試驗(yàn)機(jī)剛度、測(cè)試系統(tǒng)精度以及實(shí)驗(yàn)費(fèi)用等）的影響，有時(shí)不能反映試件的材料特性，而只能是整個(gè)試樣——加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法的進(jìn)步，進(jìn)行玻璃材料斷裂實(shí)驗(yàn)過程的計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)成為可能，在數(shù)值的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好一致性的條件下，數(shù)值模擬可以取代部分實(shí)驗(yàn)，而且能夠避開試驗(yàn)機(jī)特性對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，能夠真正用來研究玻璃類脆性材料的斷裂特性。本研究利用斷裂力學(xué)的研究方法，借助于統(tǒng)計(jì)學(xué)和現(xiàn)有的數(shù)值計(jì)算方法，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)來建立數(shù)值模型，進(jìn)行了帶裂紋玻璃材料在單向及雙向應(yīng)力狀態(tài)下斷裂失效過程的數(shù)值模擬。到目前為止，國內(nèi)外在這方面的研究還很有限。

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