陶瓷材料压缩破坏的数值模拟

摘要

采用基于有限元参数映射的格点-弹簧模型（lattice-spring model)对多晶三氧化二铝陶瓷在中、高应变率下的冲击破坏过程进行了数值模拟。该方法的优点是在弹性阶段计算所得的位移，在理论上与有限元的计算结果一致。该方法概念清晰简单，处理断裂比较容易。模型采用弹脆性模型，断裂准则基于 Griffith能量平衡原理，晶界作为弱界面被考虑在内，晶界上的附着功根据设定的晶向角之差呈线性变化，它将影响裂纹的扩展。
　　模拟了与实验材料的孔隙率一致的三氧化二铝陶瓷冲击破坏，其压缩强度与实验结果基本吻合。考察了有孔隙和无孔隙陶瓷的冲击响应及其应变率敏感性。结果显示：有孔隙陶瓷表现出一定的率敏感性，而无孔隙陶瓷则没有表现出率敏感性，且前者的裂纹密度时程曲线具有明显的“台阶”，而后者则没有。进一步的分析表明，这些“台阶”所对应的两种止裂机制——应力松弛和晶界突然转向，是有孔隙陶瓷和无孔隙陶瓷的重要区别，也是无孔隙陶瓷表现出相对较高的率敏感性的两种因素。
　　在模型中引入圆孔和狭缝，计算结果表明：孔隙对试件的杨氏模量是有显著影响的，孔隙率越大，杨氏模量越小，并且不同形状的孔隙对杨氏模量削减的程度不同。模拟结果表明相同气孔率下，狭缝比圆孔对杨氏模量的影响更大，且狭缝的所占的比例越大，杨氏模量越小。
　　定性地再现了圆柱玻璃杆撞击刚性壁的过程，结合高速摄像机记录的实验现象对破坏过程进行了分析，计算结果与实验现象基本吻合，即破坏过程为撞击端的破坏波加自由端的层裂。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景与意义

1.2脆性材料压缩破坏的研究现状

1.3破坏波

1.4论文的结构

2格点-弹簧模型

2.1基本原理和发展现状

2.2陶瓷压缩破坏建模

2.3模型弹性性质检验

3陶瓷压缩破坏模拟结果分析

3.1多孔陶瓷的冲击破坏强度与实验对比

3.2陶瓷的破坏过程分析

3.3多孔陶瓷的两种止裂机制

3.4应变率敏感性

3.5孔隙形状对杨氏模量的影响

4玻璃杆中的破坏波模拟

4.1建模

4.2初始条件和材料参数

4.3模拟结果分析

5全文总结和展望

5.1总结

5.2工作展望

参考文献

在学研究成果

致谢