基于3D-ILC脆性材料双共面与障碍内裂纹扩展特性

摘要

内裂纹是岩石等脆性材料的固有属性,裂纹间相互作用对材料断裂破坏特性影响巨大。以往研究多集中于表面裂纹或可简化为二维问题的穿透裂纹,对于三维内裂纹相互作用研究较少。基于3D-ILC,在不损伤试样表面的前提下生成内裂纹,对含障碍裂纹与不含障碍裂纹的试样开展拉伸试验,借助应力双折射效应定性观测应力分布,并开展数值模拟研究。结果表明:①基于3D-ILC的内裂纹相互作用规律显著,该技术为三维内裂纹相互融合、穿透问题的研究提供了手段;②竖直障碍裂纹破坏了双共面裂纹的应力分布,可以减小双共面裂纹靠近障碍裂纹尖端的应力集中;③竖直障碍裂纹对试样的起裂和破坏存在促进作用,使共面裂纹内侧起裂荷载降低10%,外侧起裂荷载降低2.5%,破坏荷载下降26.1%,含障碍裂纹试样的起裂荷载为破坏荷载的33.7%,不含障碍裂纹试样的起裂荷载为破坏荷载的41%;④竖直障碍裂纹不会改变试样的断裂模式,2种试样均呈现纯I型破坏特征,沿双共面裂纹所在的平面形成光滑的断裂面,断口表面存在一圈圈可表征裂纹扩展融合过程的弧纹;⑤竖直障碍裂纹会增强试样断裂时的应力释放,在障碍裂纹周围产生大量残余应力;⑥最大拉应力准则(MTS)可用于含障碍内裂纹扩展数值模拟,裂纹扩展路径以及裂纹尖端应力强度因子分布规律,与试验结果一致。