陶瓷材料压缩破坏的数值模拟

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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。
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