粘性超彈性材料中動態(tài)裂紋的振蕩傳播.pdf

1、對于材料破壞的研究已經(jīng)有很長的歷史了，但還有不少問題需要解決。直到現(xiàn)在，動態(tài)斷裂領域?qū)α鸭y的分叉做了大量研究，并且取得了很多成績。但是，要在理論或數(shù)值模擬中預測斷裂的路徑還是比較困難。 近來，動態(tài)斷裂領域出現(xiàn)了一些有意思的實驗結果，而這些結果用現(xiàn)有理論難以解釋。比如當一個氫氣球爆破以后，如果仔細檢查，常常可以看到一些碎片的邊緣呈波紋狀。這是由于在裂紋的傳播過程中，裂紋尖端沿著傳播方向的中線上下振蕩所形成的。 幾年前，De

2、egan等人對上述現(xiàn)象進行了系統(tǒng)地實驗研究。一張?zhí)烊幌鹉z薄膜(典型的粘性超彈性材料，以下簡稱超粘彈材料)，同時在長寬兩個方向施加200％量級的應變，然后用針在薄膜的一端戳個洞，得到了楔形的裂紋開口，并且拍攝到了裂紋尖端的振蕩。 本工作就是試圖在數(shù)值模擬中重現(xiàn)這個有趣的現(xiàn)象，從而找到控制裂紋振蕩的關鍵物理機制。 本研究采用離散元模型，研究了超粘彈材料中動態(tài)裂紋擴展的振蕩行為。該模型考慮了超粘彈材料的非局域效應，即計算了離散

3、元第二近鄰的貢獻。數(shù)值模擬的結果顯示裂紋尖端沿正弦狀曲線快速擴展，并且，在不同的雙軸應變下，計算了裂紋路徑的波長和振幅，與Deegan等人的實驗結果相符。 為了解裂紋振蕩如何發(fā)生，仔細地研究了裂紋尖端附近的應力分布和速度分布。對于振蕩或沒有振蕩的情況，裂紋尖端的應力分布都是新月形的，沒有實質(zhì)的不同。但速度分布就不同。在裂紋尖端的前方發(fā)現(xiàn)了負速度區(qū)(元的速度與裂紋傳播的方向相反)。負速度區(qū)域似乎可以產(chǎn)生剪切運動，有助于尖端的振蕩。

4、在一些算例中甚至出現(xiàn)了渦旋運動。特別值得注意的是在裂紋尖端后方有一個快速向前運動的區(qū)域，把這個區(qū)域叫做過程帶，它只出現(xiàn)在振蕩的情況中。以前的研究認為裂紋的振蕩和裂紋的超聲速傳播相關。在我們的數(shù)值計算中，不管振蕩與否，裂紋速度都可以是超聲速或亞聲速的，因此，本研究傾向于認為超聲速態(tài)對于裂紋的振蕩來說沒有必然聯(lián)系。但是，由于缺少亞聲速下的振蕩實驗證據(jù)，很難給出一個確定的結論。 研究發(fā)現(xiàn)，裂紋尖端的振蕩與材料的粘性，超彈性，非局域性密