大变形断裂力学问题三维变形场实验研究

摘要

软材料的丰富物理内涵和广泛应用范围迫切需要关于其力学性能的探究。在其大变形断裂力学的研究中，由于受到材料本构关系多样性的影响，理论和数值研究存在一些困难。而不受材料性能限制的实验测试方法，成为大变形断裂力学问题研究的有效手段，但由于受到实验技术的限制，目前工作甚少。本文针对大变形断裂力学问题的实验研究展开工作，主要包括：对大变形非均匀场变形测量实验技术的改进，和对大变形断裂裂尖区域的系统的实验测试和实验分析。
　　 本文对数字云纹实验技术进行改进，提出圆环射线栅线数字云纹法，建立有效的大变形图像的处理技术，实现了对极坐标下大变形非均匀变形场的直接测量。该方法中选用圆环和射线栅线作为变形测试的基本元件，通过对圆射栅线直接的四步相移及其相应的图像处理，实现了极坐标系下的位相场、位移场的直接测量和提取。同时，该方法以极点和射线为观测点可以对变形体的刚体平动和转动位移进行测量。圆射栅线数字云纹法集成了物体变形位移测量和刚体位移测量的功能，拓宽了数字云纹实验技术在材料和结构的力学行为分析中的应用。
　　 本文应用数字云纹变形测量技术，研究了大变形断裂裂尖区域平面变形场的特征，讨论了裂尖区域的扇形分区构形。首先，对橡胶材料不同载荷方式(90°，60°，45°)的裂尖区域变形场进行测试，通过对位移场ur，uθ、应变场εr，εθ，εrθ、面积应变场△S/S的分析，系统地讨论了裂尖区域的扇形分区构形，及其随着载荷方向改变的规律。并以90°载荷方式为例，初步探究了裂尖区域扇形分区中的应力强度因子K和奇异性指数λ的特征。其次，对受拉仿生皮肤材料不同缝合方式下(平行缝合和交叉缝合)针口尖端区域的变形场进行测试，讨论了尖端区域的扇形分区构形特征及其对伤口愈合的影响。
　　 本文提出大变形断裂问题的三嵌套模型。文中采用三维数字散斑相关方法测量了裂尖区域沿厚度方向的离面变形场，并基于对裂尖区域平面和离面变形特征的分析，提出了大变形断裂问题的三嵌套模型，即裂尖区域由三个由内向外嵌套的区域组成，分别是：尖端的三维变形损伤区，存在扇形分区构形的中间区域，均匀变形的远场区。其中，中间区域由扇形扩张区和收缩区组成。

目录

文摘

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声明

第一章 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2软材料大变形断裂力学的研究现状

1.3数字云纹实验技术的研究现状

1.4本文主要工作和结构

第二章 数字云纹实验技术的改进

2.1数字云纹技术的基本原理

2.2相位提取方法

2.3圆射栅线数字云纹技术

2.3.1圆环射线栅线的选取

2.3.2建立位移-相位关系

2.3.3云纹条纹相位的提取

2.4圆射栅线数字云纹技术的应用

2.4.1实验

2.4.2图像处理流程

2.5关于图像处理过程中若干关键问题的讨论

2.6本章小结

第三章 大变形断裂裂尖区域扇形分区构形的研究

3.1大变形断裂裂尖区域的理论分区构形

3.2橡胶材料大变形断裂裂尖区域扇形分区构形的研究

3.2.1 90°载荷方式扇形分区构形的讨论

3.2.2 45°载荷方式扇形分区构形的讨论

3.2.3不同载荷方式扇形分区构形的讨论

3.2.4关于分区中断裂参量的讨论

3.3受拉仿生皮肤缝合针孔尖端区域扇形分区构形的实验研究

3.3.1平行缝合方式扇形分区构形的讨论

3.3.2交叉缝合方式扇形分区构形的讨论

3.3.3缝合方式对扇形分区构形和伤口愈合的影响

3.4本章小结

第四章 大变形断裂问题的三嵌套模型

4.1断裂力学中的厚度效应

4.2数字散斑相关方法的基本原理(简述)

4.3裂尖区域三维变形场的测试

4.3.1加载实验

4.3.2标定实验

4.3.3图像处理

4.3.4结果分析

4.4三嵌套模型

4.5本章小结

第五章 工作总结与展望

5.1本文工作总结

5.2进一步工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢