[发明专利]材料精细化裂纹的预测方法

说明书

本发明提供一种材料精细化裂纹的预测方法，包括：获得材料的相关力学参数；根据实际所要模拟的物体的真实情况进行建模，并将步骤1得到的参数代入到建立的模型中；建立相场模型在复杂破坏模式下的断裂理论以使得相场模型能够有效模拟多种破坏模式的断裂情况；建立精细化过程理论，以能够精确模拟裂纹路径与扩展过程；对模型施加实际的荷载过程；根据上述建立的理论对模型的开裂过程进行求解。本发明可以隐式地得到模拟对象在各种外力条件下的开裂破坏过程，无需增加额外的判断准则，可以对材料在一定环境下是否开裂、开裂后如何止裂提供理论依据与指导，并解决传统方法只能进行裂纹拟合而非裂纹预测的难题，以及模拟的裂纹过于粗糙的问题。

技术领域

本发明属于材料力学研究的技术领域，具体涉及一种材料精细化裂纹的预测方法。

背景技术

近些年，多种断裂数值模拟方法被发展起来，包括扩展有限元法、边界元法、无网格法等，但这些方法都必须显示地追踪裂纹的路径，也就是说必须要使用额外的判断准则来确定材料是否开裂。此外，目前存在的绝大多数裂纹模拟理论仍处于裂纹拟合的阶段，也就是说，在裂纹路径得到之前，无法对数值模型进行有限单元的网格精细化划分，需要不断重复计算来手动改进网格的划分过程。而且，由于断裂能的取值直接影响到计算的结果，而在物理实验中很难对断裂能进行精准测量，从而影响到参数获取，进而降低数值模拟的效率。

总而言之，目前已经存在的模拟断裂的方法与技术存在以下几点缺陷：(1)模拟的破坏模式单一，无法模拟复杂破坏过程；(2)必须通过判断准则显式求解裂纹路径；(3)无法自动对数值模型中的有限单元进行自动合理的精细化，从而限制了计算精度；(4)难以精准测量断裂能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，本发明提供一种材料精细化裂纹的预测方法，该方法能够准确地模拟岩石、金属一类的脆性材料和准脆性材料的精细裂纹，同时提高了裂纹路径和计算结果的精度。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种材料精细化裂纹的预测方法，包括如下步骤：

步骤1：进行拉伸试验获得材料的相关力学参数；

步骤2：根据实际所要模拟的物体的真实情况进行建模，并将步骤1得到的参数代入到建立的模型中；

步骤3：建立相场模型在复杂破坏模式下的断裂理论以使得相场模型能够有效模拟多种破坏模式的断裂情况；

步骤4：建立精细化过程理论，以能够精确模拟裂纹路径与扩展过程；

步骤5：对模型施加实际的荷载过程；

步骤6：根据步骤3和4建立的理论对模型的开裂过程进行求解。

进一步地，所述参数包括弹性模量、泊松比、轴拉伸断裂能、抗拉强度以及临界剪切破坏强度与临界拉伸破坏强度的比值。

进一步地，材料的轴拉伸断裂能通过如下公式获取：

G_c为断裂能，dU为试件断裂过程中的能量耗散，dA为断裂面积。

进一步地，材料的轴拉伸断裂能通过如下公式获取：对于断裂面积dA，利用超声发射器实时监测裂纹扩展状态与开裂面积，并将监测结果输入电脑进行数据分析，从而得到任何加载时刻的真实开裂状态与面积。

进一步地，步骤3中建立的相场模型的控制方程为：