考虑纤维基体间界面影响的ECC动态破坏近场动力学模拟

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在对工程水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,简称ECC)进行材料性能研究时会面临断裂、破坏等不连续的情况。当材料内部发生裂纹萌生和扩展时,原本连续的位移、应力场都不再连续,导致了裂纹尖端以及界面等部位的应力奇异性。现行的力学模型以及数值模拟方法都是基于传统连续介质力学理论,在处理断裂、破坏等问题时有较大的局限性。基于非局部思想的近场动力学理论(Peridynamics,简称PD)利用空间积分方程来表述物质点的运动,没有了对位移场的求导过程,从而避免了传统连续介质力学理论在处理不连续问题时的困难,能够实现同一框架下的分析建模,在处理断裂、破坏等方面具有独特优势。本文首先对键基近场动力学理论进行了详细说明,包括物质点运动方程,约束条件,键的临界伸长率以及近场动力学理论中损伤与断裂准则的表述。然后进行了 ECC近场动力学模型的构建。在水泥基体建模时考虑到微裂纹引起的渐进式破坏,引入了键的损伤校正因子,在进行纤维基体相互作用建模时,考虑到纤维基体间界面的影响,对近场动力学理论的本构力函数进行了修正。将ECC的受拉和受压模拟结果与文献试验结果以及有限元模拟结果对比,验证了模型的有效性与准确性,并通过近场动力学的收敛性研究得出了恰当的近场域半径和网格间距比。现将结果整理如下:(1)考虑到纤维基体间界面的影响,对近场动力学理论的本构力函数进行了修正,改进了一种ECC材料的PD模型。编写了相应的MATLAB程序代码,实现了近场动力学理论模型的数值计算。(2)对ECC材料的PD模型进行了收敛性分析。由水泥基体板的裂纹扩展模拟研究,得到了合适的近场域半径和网格间距比,最后基于模拟结果与时间成本选择了近场域半径δ=4.0 mm以及网格间距比m=4用于后续的数值模拟研究。(3)含初始裂纹ECC板在拉伸载荷下,当纤维体积分数为1%时,ECC板的裂纹首先产生于初始裂纹所在处。随着ECC板中纤维体积分数的不断增加,裂纹不再集中于ECC板的初始裂纹处。当ECC板中纤维体积分数的进一步增加时,ECC板中细小裂纹数量的变化并不大,此时ECC板对初始裂纹的存在不再敏感。(4)进行了含初始裂纹ECC梁的三点弯曲模拟,分析了处于不同阶段的裂纹扩展应力云图,发现裂纹往往产生于初始裂纹的尖端或者初始裂纹的周围,并且会沿着裂纹尖端开裂。(5)进行了含初始裂纹ECC板的楔劈模拟,研究了不同纤维体积分数对裂纹扩展的影响,发现对于不同纤维体积分数的ECC板,在受到楔劈冲击载荷时,裂纹的起裂时间是相同的,但是随着纤维体积分数的增加,裂纹不再表现为单一裂纹扩展,裂纹的分支明显增加,而且不同纤维体积分数的ECC板的最终裂纹路径基本相同,且都为多裂纹开裂。
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