[發(fā)明專利]一種脆性固體材料非均勻性力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011515672.8
• 申請(qǐng)日: 2020-12-21
• 公開（公告）號(hào): CN112730056B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李曉照;張騏爍;賈亞星
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京建筑大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/08
• 分類號(hào): G01N3/08;G01N3/20;G01N23/2251
• 代理公司: 北京德崇智捷知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 申星宇

本發(fā)明公開了一種脆性固體材料非均勻性力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法，該方法是基于脆性固體材料常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)確定材料的非光滑應(yīng)力應(yīng)變曲線，以及通過斷裂損傷力學(xué)理論確定材料的非光滑應(yīng)力應(yīng)變理論曲線描述方程，然后對(duì)比分析試驗(yàn)與理論得到的非光滑應(yīng)力應(yīng)變曲線，確定材料內(nèi)部局部軟弱區(qū)域損傷大小及數(shù)量，然后確定能夠描述材料非光滑曲線的理論方程。描述由于隨機(jī)分布微缺陷局部損傷導(dǎo)致的脆性固體材料復(fù)雜的非均勻力學(xué)性能，為更好的模擬分析脆性固體材料工程安全穩(wěn)定提供重要支持。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及固體力學(xué)工程領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種脆性固體材料非均勻性力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)

脆性固體材料是工程領(lǐng)域常見的一種材料，例如，巖石、陶瓷、玻璃、混凝土等，這些脆性固體材料內(nèi)部往往存在大量隨機(jī)分布的微裂紋及空隙，進(jìn)而導(dǎo)致了固體材料的非均勻力學(xué)特性。以往通過壓縮荷載作用下，固體材料光滑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線描述其壓縮力學(xué)性能，隨著應(yīng)變?cè)龃螅瑧?yīng)力先增大，后減小，存在一個(gè)峰值，其為固體材料的強(qiáng)度。然而，該光滑應(yīng)力應(yīng)變曲線無法描述固體材料內(nèi)部微裂紋及空隙導(dǎo)致的非均勻力學(xué)性能。固體材料的非均勻力學(xué)性能導(dǎo)致了壓縮荷載作用過程中材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)多個(gè)局部軟弱區(qū)域破壞現(xiàn)象，這些局部軟弱區(qū)域?qū)Υ嘈怨腆w材料導(dǎo)致的損傷程度是隨機(jī)的，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致脆性固體材料出現(xiàn)不同程度開裂情況，進(jìn)而嚴(yán)重影響脆性固體材料工程壽命。

目前，能夠通過理論描述脆性固體材料內(nèi)部局部微缺陷開裂貫通對(duì)材料力學(xué)性能影響的方法很少。然而，如何能夠很好的通過理論方法描述脆性固體材料的非均勻性力學(xué)性能，進(jìn)而為脆性固體材料工程安全穩(wěn)性定評(píng)價(jià)提供依據(jù)將有著極為重要的意義。因此需要一種能有效解決上述問題的脆性固體材料非均勻性力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種脆性固體材料非均勻性力學(xué)性能預(yù)測(cè)方法，

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明包括以下步驟：

A選取待檢測(cè)脆性固體材料基于常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)取脆性固體材料的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(即σ₁-ε₁)，確定脆性固體材料彈性模量(E)及泊松比(γ)。

B通過預(yù)制帶有裂縫的脆性固體材料，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，確定脆性固體材料的斷裂韌度K_IC。

C基于電鏡掃描試驗(yàn)，確定單位體積內(nèi)脆性固體材料初始損傷值(D_o)，得到在特定壓縮應(yīng)力作用下，可以描述材料內(nèi)部含有初始裂紋尺寸(a)、角度及裂紋摩擦系數(shù)(μ)的脆性固體的材料參數(shù)；

D通過所述材料參數(shù)建立裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式：

E計(jì)算得到軸向應(yīng)變與軸向應(yīng)力關(guān)系理論曲線(σ₁-ε₁)，然后將理論結(jié)果與步驟A試驗(yàn)得到試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，確定模型中難以用實(shí)驗(yàn)直接確定的模型參數(shù)初始裂紋尺寸a，初始裂紋夾角初始裂紋摩擦系數(shù)μ(0μ1)。

進(jìn)一步地，所述裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度與應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式為：

其中ε_o為材料常數(shù)(可以參考應(yīng)力應(yīng)變曲線的最終失效應(yīng)變值確定)，m為材料常數(shù)(m＝1、2或3)，||代表取絕對(duì)值。

進(jìn)一步地，其內(nèi)部初始裂紋克服摩擦力導(dǎo)致的所述內(nèi)部裂紋長(zhǎng)度與應(yīng)力關(guān)系方程：