一种脆性固体材料直接拉伸断裂力学性能评价方法

1.本发明涉及固体力学工程技术领域，尤其涉及一种脆性固体材料直接拉伸断裂力学性能评价方法。


背景技术：

2.脆性固体材料是不同的工程领域，例如土木工程、航天工程、交通工程等，应用广泛的一种材料，具体脆性固体材料包含玻璃、陶瓷、混凝土、岩石等，这些脆性固体材料可以承受较大的压缩荷载，因此工程中经常利用这些材料的抗压性能设计各种满足工程需求的结构。但是这些材料的拉伸力学性能较差，在这些脆性固体材料工程结构中，难免会受到来自外部拉伸荷载的影响因素，进而导致脆性固体材料工程结构产生断裂破坏的风险。
3.因此，能够很好的评价脆性固体材料直接拉伸断裂力学性能具有重要意义。此外，这些脆性固体内部往往存在着大量的微裂隙，这些微裂隙对于脆性固体直接拉伸断裂力学性能起着至关重要作用。目前能够通过理论方程，来解释脆性固体材料内部微裂纹扩展导致直接拉伸断裂力学性能的方法很少，因此，提出一种脆性固体材料直接拉伸断裂力学的评价方法，将对于脆性固体材料工程结构安全设计具有重要实践价值，需要一种脆性固体材料直接拉伸断裂力学性能评价方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术问题而提出的一种脆性固体材料直接拉伸断裂力学性能评价方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.本发明包括以下步骤:
7.a、选取脆性固体材料通过直接拉伸荷载试验机获取脆性固体材料的拉伸荷载方向上的拉应力和拉应变数据获取所述拉应力与拉应变之间的关系试验曲线；
8.b、通过ct扫描技术扫描脆性固体材料，确定其内部微裂隙的数量，进而确定脆性固体材料的初始损伤状态参数do，初始损伤取值大于0且小于1；
9.c、利用三点弯曲断裂力学实验，确定脆性固体材料的断裂韧度参数k
ic
；
10.d、基于固体断裂力学理论，建立直接拉伸荷载作用下，脆性固体材料拉应力σ1与拉应变ε1的关系方程以及理论曲线；
11.f、通过所述拉应力与拉应变关系曲线中拉应变的最终失效值确定参数εo；
12.g、确定参数a，参数m，参数后计算得到直接拉伸荷载作用下脆性固体材料的拉应力与拉应变关系曲线用于评价脆性固体材料的直接拉伸断裂过程中的受力及变形等力学性能。
13.进一步地，脆性固体材料拉应力σ1与拉应变ε1的关系方程如下：
14.在初始弹性变形阶段ε1《ε
1c
，拉伸应力与拉伸应变关系方程为：
[0015][0016]
在弹性变形以后，非弹性变形阶段ε1》ε
1c
，拉伸应力与拉伸应变关系方程为：
[0017][0018][0019]
b2＝π
1/3
(3/4nv)
2/3-π(b3+αa)2[0020]
b3＝a[(1-exp[-(ε1/εo)m])
1/3do-1/3-1]
[0021][0022]
ε
1c
＝εo(-ln[1-do])
1/m
[0023]
其中方程中参数do可以通过步骤2确定，参数k
ic
可以通过步骤3确定，a是初始裂纹尺寸、是初始裂纹角度，nv为单位体积脆性固体材料内部微裂隙数量，β，εo，m是材料常数。
[0024]
进一步地，参数a，参数m，参数具体值根据步骤d中的理论计算得到的拉应力与拉应变关系理论曲线，与步骤a中试验得到的拉应力与拉应变关系曲线对比分析计算确定。
[0025]
当给定参数a，参数m，参数时，将计算得到的拉应力与拉应变关系理论曲线与试验测取的曲线，放到同一个坐标系图中进行绘制，当这两个曲线上所有的数据点有的地方重合，有的地方不重合且存在差值，但是在趋势上相似且数值上接近，即在拉应变或拉应力取同一值时，其所对应的拉应力或拉应变的最大误差，(试验值-理论值)/试验值，不超过正负20％，此时即可以确定上述参数a，参数m，参数值。
[0026]
相比现有技术，本发明的有益效果为：
[0027]
本发明利用脆性固体材料承受直接拉伸荷载作用下的试验，确定材料的拉应力与拉应变之间的关系曲线，并通过固体断裂力学基础理论，给出能够评价脆性固体材料直接拉伸作用下的拉应力与拉应变的关系曲线的理论方程。然后通过将理论方程计算得到的拉应力与拉应变关系曲线与试验测取到的关系曲线进行对比，当两者的曲线达到最相似状态，确定此固体材料的理论方程中的材料参数,该方程可以进一步去评价预测不同固体材料，在不同受力状态下的断裂力学性能，进而能够为脆性固体材料工程设计、施工等提供一定的理论支撑。
附图说明
[0028]
图1为实施例大理岩脆性固体材料拉应力与拉应变关系试验测试结果示意图；
[0029]
图2为实施例大理岩脆性固体材料拉应力与拉应变关系的理论方程计算结果示意图；
[0030]
图3为实施例大理岩脆性固体材料拉应力与拉应变关系的理论与试验对比结果示意图；
具体实施方式
[0031]
参照图1-3，下面选取大理岩脆性固体材料为例子，来验证该发明中理论方程的可靠性。
[0032]
1、选取大理岩脆性固体材料，利用直接拉伸荷载试验机，获取脆性固体材料的拉伸荷载方向上的拉应力、拉应变数据，然后绘制拉应力与拉应变之间的关系曲线(即σ
1-ε1)。
[0033]
2、利用ct扫描技术，扫描大理岩脆性固体材料，确定其内部微裂隙的数量，进而确定脆性固体材料的初始损伤状态参数do，初始损伤取值大于0且小于1。
[0034]
3、利用三点弯曲断裂力学实验，确定脆性固体材料的断裂韧度参数k
ic
。
[0035]
4、基于固体断裂力学理论，建立直接拉伸荷载作用下，脆性固体材料拉应力σ1与拉应变ε1的关系方程如下：
[0036]
在初始弹性变形阶段ε1《ε
1c
，拉伸应力与拉伸应变关系方程为：
[0037][0038]
在弹性变形以后，非弹性变形阶段ε1》ε
1c
，拉伸应力与拉伸应变关系方程为：
[0039][0040][0041]
b2＝π
1/3
(3/4nv)
2/3-π(b3+αa)2[0042]
b3＝a[(1-exp[-(ε1/εo)m])
1/3do-1/3-1]
[0043][0044]
ε
1c
＝εo(-ln[1-do])
1/m
[0045]
其中方程中参数do可以通过步骤2确定，参数k
ic
可以通过步骤3确定，a是初始裂纹尺寸、是初始裂纹角度，nv为单位体积脆性固体材料内部微裂隙数量，β，εo，m是材料常数。
[0046]
5、参数εo可以通过步骤1中的拉应力与拉应变关系曲线中拉应变的最终失效值确定。
[0047]
6、参数m一般选取值为1、2、3，具体值根据步骤4中的理论计算得到的拉应力与拉应变关系曲线，与步骤1中试验得到的拉应力与拉应变关系曲线对比分析确定。
[0048]
7、参数a具体取值一般小于4mm，具体值根据步骤4中的理论计算得到的拉应力与拉应变关系曲线，与步骤1中试验得到的拉应力与拉应变关系曲线对比分析确定。
[0049]
8、参数取值大于0且小于90，取值更接近于90，具体值根据步骤4中的理论计算得到的拉应力与拉应变关系曲线，与步骤1中试验得到的拉应力与拉应变关系曲线对比分析确定。
[0050]
9、参数nv与初始损伤存在关系为nv＝do/a3，具体值结合步骤2确定的参数do与步骤7确定的参数a，并结合步骤4中的理论计算得到的拉应力与拉应变关系曲线，与步骤1中试验得到的拉应力与拉应变关系曲线对比分析确定。
[0051]
当给定参数a，参数m，参数时，将计算得到的拉应力与拉应变关系理论曲线与试验测取的曲线，放到同一个坐标系图中进行绘制，当这两个曲线上所有的数据点有的地方重合，有的地方不重合且存在差值，但是在趋势上相似且数值上接近，即在拉应变或拉应力取同一值时，其所对应的拉应力或拉应变的最大误差，(试验值-理论值)/试验值，不超过正负20％，此时即可以确定上述参数a，参数m，参数值。
[0052]
10、确定了上述参数后，利用步骤4中理论方程，可以计算得到直接拉伸荷载作用下脆性固体材料的拉应力与拉应变关系曲线，该曲线可以用来评价脆性固体材料的直接拉伸断裂过程中的受力及变形等力学性能。
[0053]
表1给出了大理岩脆性固体材料的参数。图1、2、3分别给出了大理岩脆性固体材料的直接拉伸荷载作用下的拉应力与拉应变的试验结果、理论计算结果以及理论与试验对比分析结果。通过图3理论与试验对比分析曲线，看到理论与试验曲线具有一定可比性，验证了本发明方法的合理性。
[0054]
表1大理岩脆性固体材料参数选取值
[0055][0056]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种脆性固体材料直接拉伸断裂力学性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤a、选取脆性固体材料通过直接拉伸荷载试验机获取脆性固体材料的拉伸荷载方向上的拉应力和拉应变数据获取所述拉应力与拉应变之间的关系试验曲线；b、通过ct扫描技术扫描脆性固体材料，确定其内部微裂隙的数量，进而确定脆性固体材料的初始损伤状态参数d
o
，初始损伤取值大于0且小于1；c、利用三点弯曲断裂力学实验，确定脆性固体材料的断裂韧度参数k
ic
；d、基于固体断裂力学理论，建立直接拉伸荷载作用下，脆性固体材料拉应力σ1与拉应变ε1的关系方程以及理论曲线；f、通过所述拉应力与拉应变关系曲线中拉应变的最终失效值确定参数ε
o
；g、确定参数a，参数m，参数后计算得到直接拉伸荷载作用下脆性固体材料的拉应力与拉应变关系曲线用于评价脆性固体材料的直接拉伸断裂过程中的受力及变形等力学性能。2.根据权利要求1所述的一种脆性固体材料直接拉伸断裂力学性能评价方法，其特征在于，脆性固体材料拉应力σ1与拉应变ε1的关系方程如下：在初始弹性变形阶段ε1<ε
1c
，拉伸应力与拉伸应变关系方程为：在弹性变形以后，非弹性变形阶段ε1>ε
1c
，拉伸应力与拉伸应变关系方程为：，拉伸应力与拉伸应变关系方程为：b2＝π
1/3
(3/4nv)
2/3-π(b3+αa)2b3＝a[(1-exp[-(ε1/ε
o
)
m
])
1/3
d
o-1/3-1]ε
1c
＝ε
o
(-ln[1-d
o
])
1/m
其中方程中参数d
o
可以通过步骤2确定，参数k
ic
可以通过步骤3确定，a是初始裂纹尺寸、是初始裂纹角度，nv为单位体积脆性固体材料内部微裂隙数量，β，ε
o
，m是材料常数。3.根据权利要求1所述的一种脆性固体材料直接拉伸断裂力学性能评价方法，其特征在于，参数a，参数m，参数具体值根据步骤d中的理论计算得到的拉应力与拉应变关系理论曲线，与步骤a中试验得到的拉应力与拉应变关系曲线对比分析计算确定。

技术总结
本发明公开了一种脆性固体材料直接拉伸断裂力学性能评价方法，包括确定材料的拉应力与拉应变之间的关系曲线，并通过固体断裂力学基础理论，给出能够评价脆性固体材料直接拉伸作用下的拉应力与拉应变的关系曲线的理论方程。然后通过将理论方程计算得到的拉应力与拉应变关系曲线与试验测取到的关系曲线进行对比，当两者的曲线达到最相似状态，确定此固体材料的理论方程中的材料参数,该方程可以进一步去评价预测不同固体材料，在不同受力状态下的断裂力学性能，进而能够为脆性固体材料工程设计、施工等提供一定的理论支撑。施工等提供一定的理论支撑。施工等提供一定的理论支撑。


技术研发人员：李晓照 李海峰 李连杰
受保护的技术使用者：北京建筑大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/9/23