文档介绍：第26卷第3期爆炸与冲击 , 2006年5月 EXPLOSIONANDSHOCKWAVES May,2006 文章编号:1001-1455(2006)03-0214-08 冲击载荷作用下裂纹动态响应的数值模拟* 胡柳青,李夕兵,龚声武(中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083) 摘要:对垂直、剪切以及斜向等各种冲击载荷作用下裂纹的动态响应进行了数值模拟,得到了一系列随时间变化的动态应力场以及应变场图;根据其定义,计算出了相应的动态应力强度因子,进而分析了斜向载荷作用下裂纹起裂情况,并对最优断裂问题进行了阐述。关键词:爆炸力学;动态应力强度因子;数值模拟;裂纹;最优断裂;冲击载荷中图分类号:;TD235 国标学科代码:130#3520 文献标志码:A 1 引言岩石材料天然的复杂性以及冲击载荷作用带来的两类动态效应,使岩石动力特性的研究逐渐从宏观层面转移到细观、微观层面[1~2]。而裂纹的动态响应是研究岩石细观动态响应的关键之一,也是断裂动力学或动态断裂力学所要研究的对象[3]。到目前为止,在理论和数值模拟方面,裂纹受应力波垂直冲击或剪切冲击作用的研究已有很大的进展。许多研究者[4~6]从断裂力学角度出发,对各种形状裂纹的动态应力强度因子分别在时域和频域上进行了研究。[7]得到了应力强度因子的解析数值结果,FANTian-you等[8]用有限元分析并得到了相似的结果。而对于应力波斜入射作用于裂纹的研究,[9]对应力波在裂纹尖端产生散射波等方面进行了研究,但他们没有考虑到应力脉冲作用时间的影响。LIX-ibing等[10]曾对有限尺寸裂纹在平面拉伸脉冲矩形波斜入射作用时由入射波与反射波在裂纹表面附近叠加而产生的应力场进行了分析研究,并构造出了计算动态应力强度因子的近似表达式。本文中对各种冲击载荷作用下裂纹的动态响应进行了数值模拟研究,不但验证了理论分析的可行性,而且得到了更详尽、更精确的结果;并在此基础上分别得出了相应的起裂角,从而对在应力脉冲作用下最优断裂的问题进行了探讨。 2 垂直或剪切冲击载荷作用下裂纹的动态响应试件模型如图1所示,其几何尺寸和材料常数为:2L=100mm,2a=20mm,厚度T=,E= 70GPa,M=,Q= 3。采用多线性随动强化(MKIN)方法近似表示材料的应力-应变曲线,如图2所示。设t=0时板上下表面受均布阶跃拉伸应力作用,其应力加载如图3所示。利用对称性,取试件的四分之一进行计算,有限元网格如图4所示。裂纹尖端单元采用退化的20 节点棱柱形等参元。时间步长$t=1Ls,外载幅值R=20MPa。计算按平面应变处理。图5记录了裂纹面上节点和裂尖前不远处节点的y方向应力随时间变化的关系图,其中裂纹面节点坐标为(-1,0),裂尖坐标为(0,0),裂尖不远处节点坐标为(,0)。同样,受剪切冲击载荷作用时,即在t=0时,板左下半表面与右上半表面同时受均布阶跃拉伸应力* 收稿日期:2005-01-10;修回日期:2005-12-02 基金项目:国家自然科学基金项目(10472134,50490272) 作者简介:胡柳青(1976) ),男,博士。 R的作用,使其呈反对称加载模式。利用反对称性,取试件的四分之一进行计算,有限元网