一文说尽冲击动力学——固体动态断裂韧度的实验和数值研究分享
点击上方蓝字了解更多计算与STEM领域研究前沿为了得到更多的直观的数据，并推导出经验性或半经验的理论公式，实验和数值技术是两个常见的科研范式。大体来看，做动态韧度断裂的，基本可以归类如下：1. 力学的内禀特性：换句话说就是不同的材料，例如：岩石、复合材料、金属、陶瓷，包括多孔介质，层间板等等。2. 不同的科学范式：有的是通过物理实验，有的是通过数值模拟，还有的是推导理论，当然也有的都做，例如半实验-半理论。有的也会对前人的研究进行总结，这样写出来的就是综述论文。3. 研究的不同侧重点：有的会侧重加载速率和加载方式，有的则会侧重材料本身的尺寸，组成等等，也有的会根据实验，设计更高的动态断裂韧度的材料。下面我将从30篇论文和著作中选取5篇有代表性的论文进行分享。 文末会有百度网盘的链接文一：测定动态断裂韧性的半圆弯曲技术摘要：提出并验证了一种利用改进的分离式霍普金森压力棒(SHPB)装置动态加载缺口核半圆弯曲(SCB)试样的断裂试验方法。通过对各向同性细粒花岗岩(LG)的试验，验证了这种动力学 SCB 方法的有效性。在试样的裂纹尖端附近安装应变片来检测裂纹的开始，并使用激光间隙测量仪(LGG)来监测裂纹表面的张开距离。结果表明，通过脉冲整形实现动态力平衡，远场载荷峰值与试样断裂时间同步。此外，从动态有限元分析所得的动态应力强度因子(SIF)的演变与准静态分析所得的一致。这些结果证明，在 SHPB 中采用动态力平衡，即使对于具有复杂几何形状的样品，如缺口 SCB 盘，惯性效应也是最小的。因此，动态力平衡可以利用准静态分析来回归动态断裂韧性。这种动态 SCB 方法为测量岩石和其他脆性材料的动态断裂韧性提供了一种简单而有效的方法。 图：带有激光间隙计（LGG）系统的spit-Hopkinson压力杆（SHPB）系统中的切口SCB试样示意图。 图：动态SCB测试的高速视频图像。 图：使用常规SHPB进行准静态分析和动态分析，测试缺口SCB试样应力强度因子的演变。 图：使用改进的SHPB试验（CSOD的单位为0.05 mm）测试的缺口SCB试样的CSOD和应变计信号与传递力的比较。文二：高强度金属动态断裂起始韧性的实验测定摘要：对于可能承受动态载荷或极端条件的材料，了解其断裂行为随应变率的变化至关重要。本研究描述了一种新实验技术的详细设计和精心开发，该技术允许在强大的理论背景下测量大范围加载速率下的动态断裂起始韧性。为此，研究了两种高强度金属合金：（i）一种非常温和的应变率依赖合金AA7017-T73，以及（ii）一种具有公认速率效应的装甲钢Mars 240。选择前者是为了验证新建立的实验技术。正如预期的那样，测量的动态断裂起始韧性给出了几乎相同的结果，从而验证了该技术。一旦该技术建立，就获得了Mars 240钢在不同加载速率下的动态断裂起始韧性。结果表明，随着加载速率的增加，动态断裂起始韧性增加。 图：初始裂纹后距离L处施加的集中载荷（用红色表示）。 图：（a） 显示从原始板中提取的试样的示意图。（b） 标准弯曲试样的几何形状和尺寸要求。 图：（a） 准静态断裂韧性试验的实验装置。（b） 对于代表性试样，施加的载荷与靠近裂纹尖端的应变计测量的应变之间存在线性关系。 图：（a） 断裂韧性爆炸试验装置，由带复合层压板盖的钢箱组成。（b） 两个试样安装在装置中的圆柱形支架上，用于断裂韧性爆炸试验。文三： 岩石材料的准静态和动态断裂行为：现象和机制摘要：对沉积岩、火成岩和变质岩的准静态和动态断裂行为进行了实验研究。切口半圆形弯曲方法已被用于使用伺服液压机和分离式霍普金森压杆在宽范围的加载速率下确定断裂参数。通过应变仪、裂纹扩展仪和高速摄影在宏观层面上测量了断裂时间、裂纹速度和飞片速度。动态裂纹萌生韧性由断裂时的动态应力强度因子决定，动态裂纹扩展韧性由特定裂纹速度下的动态断裂能得出。对断裂表面进行了系统的断口研究，以检验断裂的微观机制。本研究清楚地表明：（1）裂纹萌生和生长韧性随着加载速率和裂纹速度的增加而增加；（2） 飞行碎片的动能随着撞击速度的增加而增加；（3） 动态断裂能随着裂纹速度的增加快速增加，并提出了一种半经验速率依赖模型；（4）断裂面的特征表明，破坏机制取决于加载速率和岩石微观结构。 图：实验技术。 图：显示动态压裂过程的高速照片。 图：砂岩在a、b准静态断裂、c、d动态断裂放大倍数下的SEM显微照片。文四： 一种测量固体动态断裂韧性的新技术摘要：我们提出并评估了一种新的实验技术，用于测量工程材料的断裂韧性及其对应变速率的敏感性。所提出的方法基于环膨胀技术，克服了当前动态断裂试验的局限性，因为它在加载过程中不受瞬态应力波传播的影响，并且在断裂前产生了空间均匀的远程应力和应变场；该方法也适用于实现远超1000s-1的远程应变率。我们通过测量PMMA试样在10−3 s-1至102 s-1的远程应变率下的平面应力模式I断裂韧性来演示该技术。实验表明，材料的韧性随着应变率的增加而增加。 图：（A） 破裂的PMMA环试样示例；（b） 用于测量初始裂纹长度的光学显微照片示例。 图：装置活动部分的几何形状和自由体图。 图：（A） 不同应变率下无裂纹试样的应力应变响应；（b） 不同应变率下应力强度因子的演变（对于以0.0006、9、108 s-1的速率测试的试样，a/H分别为0.17、0.15、0.06）；（c） 不同速率下断裂应力对a/H的依赖性；（d） 测量的断裂韧性对初始裂纹长度和应变率的依赖性。文五： 聚合物复合材料层间动态断裂韧性测试方法摘要：采用WIF试验方法研究了两种聚合物纤维复合材料的静态和动态I型分层断裂。在分体式霍普金森压杆装置上进行了动态试验。实现了高达1000 m/s的裂纹速度。采用有限元方法模拟了动态断裂和裂纹扩展。获得了S2/8552和IM7/977-3复合材料的动态起始断裂韧性。基于实测数据，从有限元模拟中提取了与高速扩展裂纹相关的IM7/977-3的动态断裂韧性。研究发现，以高达1000m/s的速度传播的分层裂纹的动态断裂韧性大约等于静态断裂韧性。 图：WLCT试样及其尺寸。 图：准静态试验装置示意图。 图：动态测试设置示意图。 图：IM7/977-3复合材料的动态能量释放率与裂纹扩展。网盘链接：来源：STEM与计算机方法
